Способ производства холоднокатаного проката повышенной прочности

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства холоднокатаной полосы повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенной для изготовления деталей автомобиля методом штамповки. Для повышения прочностных характеристик при сохранении штампуемости и получения требуемого класса прочности, соответствующего требуемому минимальному пределу текучести, осуществляют выплавку стали, содержащей, мас.%: 0,025-0,10 углерода; не более 0,30 кремния; 0,41-0,70 марганца; 0,04-0,12 фосфора; 0,01-0,08 алюминия; не более 0,009 азота; железо и неизбежные примеси - остальное, разливку слябов, горячую прокатку слябов в полосы с температурой конца прокатки 825-890°С, охлаждение водой, смотку полос в рулоны при температуре 505-630°С, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи при температуре 600-700°С с продолжительностью 7-20 часов и дрессировку с обжатием 0,8-2,1%. Сталь дополнительно содержит 0,0008-0,0030 мас.% бора. Содержание углерода и фосфора связано с требуемым минимальным пределом текучести (классом прочности) зависимостями [С]=(0,0005·К_пр-0,065)±0,02,% и [Р]=(0,0005·К_пр-0,05)±0,20,%, где [С], [Р] - содержание углерода и фосфора в стали, %; 0,0005; 0,065; 0,05 - эмпирические коэффициенты, %; К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести. 3 з.п.ф-лы, 6 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства холоднокатаного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей автомобиля методом штамповки.

Одним из определяющих качеств автолиста является его способность к вытяжке при штамповке деталей автомобиля. Холоднокатаные полосы с повышенной прочностью и высокой способностью к вытяжке в зависимости от класса прочности должны соответствовать определенному комплексу механических свойств, например согласно требованиям европейских стандартов SEW 094 (таблица 1):

Таблица 1
Стандарт	Класс прочности Кпр*	Марка	Предел текучести Rel, Н/мм2	Временное сопротивление Rm, Н/мм2	Относительное удлинение А80, %, не менее
SEW 094	220	ZStE 220 Р	220-280	340-420	30
	260	ZStE 260 Р	260-320	380-460	28
300	ZStE 300 Р	300-360	420-500	26
Примечание: * Класс прочности заложен в наименование марки. Числовое значение класса прочности соответствует минимальному пределу текучести.

Известен способ производства холоднокатаных листов, включающий непрерывную разливку стальных слябов, нагрев слябов до 1150-1240°С, горячую прокатку с температурой конца прокатки не ниже 870°С, охлаждение полос водой до 550-730°С, смотку в рулон, холодную прокатку с суммарным обжатием не менее 70%, отжиг при 700-750°С с выдержкой при этой температуре 11-34 часов, дрессировку полос ведут с обжатием 0,4-1,2%. Слябы разливают из стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод - 0,002-0,007

Кремний - 0,005-0,05

Марганец - 0,08-0,16

Алюминий - 0,01-0,05

Титан-0,05 - 0,12

Фосфор - не более 0,015

Сера - не более 0,010

Хром - не более 0,04

Никель - не более 0,04

Медь - не более 0,04

Азот - не более 0,006

Железо - остальное

[Патент РФ №2197542, МПК С21D 8/04, опубл. 27.01.2003].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 220 до 300.

Известен способ производства листовой стали для холодной вытяжки, включающий горячую прокатку непрерывно-литых слябов из малоуглеродистой стали, травление, многопроходную холодную прокатку с суммарным обжатием 75%, рекристаллизационный отжиг рулонов в колпаковой печи с нагревом за несколько стадий: нагрев со средней скоростью 70-80°С/ч до температуры 490-510°С, повторный нагрев со средней скоростью 3-4°С/ч до промежуточной температуры 540-560°С и окончательный нагрев со средней скоростью 50-55°С/ч до температуры 700-720°С, при которой рулоны выдерживают в течение 12-18 часов. Слябы разливают из стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод - 0,025-0,050

Кремний - 0,003-0,01

Марганец-0,12-0,19

Алюминий - 0,02-0,05

Азот - не более 0,011

Железо - остальное

[Патент РФ №2255988, МПК C21D 8/04, опубл. 10.07.2005].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств классов прочности от 220 до 300.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства холоднокатаной полосы из стали, содержащей, мас.%:

Углерод≤0,09

Марганец - 0,02-1,0

Кремний≤0,25

Алюминий - 0,02-0,08

Фосфор - 0,04-0,10

Сера≤0,025

Ванадий 0,005-0,05

Молибден 0,005-0,03

Железо и неизбежные примеси - остальное,

прокатывают в горячем состоянии, смотку в рулон производят при 500-600°С, холодную прокатку ведут с обжатием 60-80%. Рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи производят с окончательной выдержкой при 700-780°С с разными скоростями нагрева в три стадии: до 450°С со скоростью V₁=0,8-1,6 град/мин, в промежуточном интервале температур 450-560°С со скоростью V₂=0,05-0,08 град/мин, в диапазоне температур 560-700-780°С - со скоростью V₃=0,37-0,8 град/мин, после отжига осуществляют дрессировку [Патент РФ №1834723, МПК В21В 1/22, опубл. 15.08.1993 - прототип].

Недостаток известного способа состоит в том, что он обеспечивает получение проката с уровнем механических свойств классов прочности от 220 до 300 при больших производственных издержках, так как сталь легируют дорогостоящими элементами, такими как ванадий и молибден, а также используют энергоемкий высокотемпературный отжиг в колпаковых печах при 700-780°С.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении холоднокатаного проката повышенной прочности, предназначенного для холодной штамповки, при снижении производственных издержек и энергозатрат.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, получение проката требуемого класса прочности, а также снижение производственных издержек и энергозатрат. Снижение производственных издержек и энергозатрат заключается в оптимизации химического состава стали без применения дорогостоящих легирующих элементов, таких как ванадий и молибден, и использовании низкотемпературного отжига в колпаковых печах при температуре 600-700°С.

Указанный результат достигается тем, что в способе производства холоднокатаной полосы для холодной штамповки, включающем выплавку стали, разливку слябов, горячую прокатку слябов в полосы, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи и дрессировку, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:

Углерод - 0,025-0,10%

Кремний - не более 0,30%

Марганец - 0,41-0,70%

Фосфор - 0,04-0,12%

Алюминий - 0,01-0,08%

Азот - не более 0,009%

Железо и неизбежные примеси - остальное,

горячую прокатку проводят с температурой конца прокатки 825-890°С, смотку горячекатаных полос ведут при температуре 505-630°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 600-700°С с продолжительностью 7-20 часов, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%. Сталь дополнительно содержит 0,0008-0,0030 мас.% бора. Содержание углерода и фосфора связано с требуемым минимальным пределом текучести (классом прочности) следующими зависимостями:

где [С], [Р] - содержание углерода и фосфора в стали, %;

0,0005; 0,065; 0,05 - эмпирические коэффициенты, %;

К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.

Сущность изобретения состоит в следующем. На механические свойства холоднокатаной листовой стали влияют как химический состав стали, так и режимы деформационно-термической обработки.

Углерод - один из упрочняющих элементов. При содержании углерода менее 0,025% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,10% приводит к снижению пластичности стали, что недопустимо.

Кремний в стали применен как раскислитель и легирующий элемент.При содержании кремния более 0,30% резко снижается пластичность, имеет место охрупчивание стали.

Марганец обеспечивает получение заданных механических свойств. При содержании марганца менее 0,41% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 0,70% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.

Алюминий введен в сталь как раскислитель. При содержании алюминия менее 0,01% снижается пластичность стали, сталь становится склонной к старению. Увеличение содержания алюминия более 0,08% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.

Азот упрочняет сталь. При содержании азота более 0,009% сталь становится склонной к старению.

Упрочнение стали создает фосфор, который повышает твердость феррита и усиливает выделение дисперсных карбидных включений. Одновременно фосфор улучшает пластичность и штампуемость стали. При содержании фосфора менее 0,04% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания фосфора более 0,12% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.

Наличие в стали бора в пределах 0,0008-0,0030% исключает сегрегацию фосфора и предотвращает попадание фосфора на границы ферритных зерен, тем самым способствует упрочнению стали.

Горячая прокатка с температурами конца прокатки 825-890°С и смотки 505-630°С обеспечивает формирование оптимальной текстуры металла, которая после холодной прокатки и термообработки по предложенным режимам трансформируется в текстуру с преобладающей кристаллографической ориентировкой <111>, а также микроструктуры с высокой стабильностью и равномерностью. Ниже и выше заявленных температурных пределов технический результат не достигался, а именно сталь приобретала структуру с неблагоприятной для холодной штамповки текстурой и неравномерную микроструктуру ферритной матрицы.

В результате рекристаллизационного отжига при температуре 600-700°С в течение 7-20 часов формируется однородная микроструктура с баллом зерна 9-10 и минимальным выделением структурно-свободного цементита. Увеличение температуры отжига выше заявленных параметров не обеспечивает необходимый уровень механических свойств. Снижение температуры отжига ниже 600°С и уменьшение времени выдержки менее 7 часов в колпаковых печах приводит к появлению в микроструктуре отдельных прерывистых строчек рекристаллизованных зерен, что ухудшает штампуемость проката. Увеличение времени выдержки более 20 часов неоправданно удлиняет отжиг.

Окончательно механические свойства формируются при дрессировке. Дрессировка полос с обжатием 0,8-2,1% обеспечивает оптимальный уровень механических свойств. Обжатие менее 0,8% приводит к появлению площадки текучести на диаграмме растяжения при испытании на разрыв. Дрессировка с обжатием не более 2,1% ограничена техническими возможностями дрессировочного стана.

Комплекс оптимизированного химического состава без использования дорогостоящих легирующих элементов, таких как ванадий и молибден, и низкотемпературного отжига при температуре 600-700°С приводит к снижению производственных издержек и энергозатрат при условии обеспечения высоких прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости и получении проката требуемого класса прочности.

Экспериментально установлено, что для получения требуемого минимального предела текучести содержание углерода и фосфора должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями: [С]=(0,0005·К_пр - 0,065)±0,02,%;

[Р]=(0,0005·К_пр - 0,05)±0,20,%.

Примеры реализации способа

В кислородном конвертере осуществляли выплавку стали, химический состав которых приведен в таблице 2.

Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы сечением 250×1280-1420 мм. Слябы нагревали в нагревательной печи с шагающими балками до температуры 1250°С в течение 2,5-3,5 часа и прокатывали на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 2,5-3,5 мм. Температура полос на выходе из последней клети стана регламентирована. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге охлаждали водой до определенных температур и сматывали в рулоны. Охлажденные рулоны подвергали соляно-кислотному травлению в непрерывном травильном агрегате. Затем травленые полосы прокатывали на 5-клетевом стане до толщины 1,0-1,8 мм. Холоднокатаные полосы отжигали в колпаковых печах с водородной защитной атмосферой. Отожженные полосы дрессировали с заданным обжатием.

В таблицах 3-4 приведены технологические параметры и механические свойства предложенного способа (плавки 2-4), способа при запредельных значениях заявленных параметров (плавки 1 и 5) и способа-прототипа (плавка 6).

Примеры реализации зависимостей (1)-(2) приведены в таблицах 5-6.

Из таблиц 2-6 видно, что в случае реализации предложенного способа (плавки 2-4) и зависимостей (1)-(2) достигаются механические свойства с классами прочности от 220 до 300. При запредельных значениях заявленных параметров (плавки 1 и 5) классы прочности от 220 до 300 не достигаются.

Из проката изготавливали штамповкой высоконагруженные детали автомобиля, такие как усилители корпуса и несущие детали рамы автомобиля; замечаний к штамповке у потребителя не было.

Таблица 2
Химический состав опытных плавок
№ варианта химсостава	Содержание элементов, мас.%
С	Si	Мn	Р	Аl	N	В	Fe и неизбежные примеси
1	0,020	0,03	0,35	0,030	0,01	0,004	0,0003	Остальное
2	0,025	0,06	0,41	0,040	0,01	0,005	0,0002	Остальное
3	0,060	0,15	0,55	0,068	0,04	0,006	0,0030	Остальное
4	0,100	0,30	0,70	0,120	0,08	0,009	0,0008	Остальное
5	0,110	0,35	0,75	0,125	0,09	0,010	0,0035	Остальное
6 (прототип)	0,05	0,02	0,20	0,052	0,04	0,008	-	Остальное
Примечание: Химсостав №6 дополнительно содержит V=0,01%, Мо=0,03%.

Таблица 3
Технологические параметры на прокатных переделах
№ варианта химсостава	Температура конца прокатки Ткп, °С	Температура смотки после горячей прокатки Тсм, °С	Температура рекристаллизационного отжига в колпаковых печах, °С	Время выдержки при отжиге	Степень обжатия при дрессировке, %
1	895	635	710	22 час	0,7
2	890	630	700	20 час	0,8
3	845	570	670	12 час	1,5
4	825	505	600	7 час	2,1
5	820	500	595	6,5 час	2,2
6 (прототип)	850	520	760	17 час	0,9

Таблица 4
Механические свойства опытных плавок
№ варианта химсостава	Предел текучести σт(Rel), Н/мм2	Предел прочности σв (Rm), Н/мм2	Относительное удлинение δ80(А80),%	Достигнутый результат
1	210	330	37	Классу прочности 220 не соответствует предел текучести и предел прочности
2	240	360	33	Класс прочности 220
3	285	405	30	Класс прочности 260
4	340	445	28	Класс прочности 300
5	375	490	20	Классу прочности 300 не соответствует предел текучести и относительное удлинение
6 (прототип)	230-330	370-440	28-36	Класс прочности 220-300*
Примечание: * Недостатки способа-прототипа см. в описании изобретения.

Таблица 5
Содержание углерода в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно зависимости [С]=(0,0005·Кпр - 0,065)±0,02, %
№ варианта химсостава	Содержание С (мас.%)	Требуемый класс прочности, Кпр	Содержание С (мас.%) согласно зависимости [С]=(0,0005·Кпр - 0,065)±0,02, %	Соответствие формуле изобретения
Сmin	Сmax
1	0,020	220	0,025	0,065	Не соответствует
2	0,025	220	0,025	0,065	Соответствует
3	0,060	260	0,045	0,085	Соответствует
4	0,100	300	0,065	0,105	Соответствует
5	0,110	300	0,065	0,105	Не соответствует

Таблица 6
Содержание фосфора в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно зависимости [Р]=(0,0005·Кпр - 0,05)±0,20,%
№ варианта химсостава	Содержание Р (мас.%)	Требуемый класс прочности	Содержание Р (мас.%) согласно зависимости [Р]=(0,0005·Кпр - 0,05)±0,20, %	Соответствие формуле изобретения
Pmin	Рmах
1	0,030	220	0,040	0,080	Не соответствует
2	0,040	220	0,040	0,080	Соответствует
3	0,068	260	0,060	0,100	Соответствует
4	0,120	300	0,080	0,120	Соответствует
5	0,125	300	0,080	0,120	Не соответствует

1. Способ производства холоднокатаной полосы повышенной прочности из низколегированной стали для холодной штамповки, включающий выплавку стали, разливку слябов, горячую прокатку слябов в полосы, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи и дрессировку, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:

углерод	0,025-0,10
кремний	не более 0,30
марганец	0,41-0,70
фосфор	0,04-0,12
алюминий	0,01-0,08
азот	не более 0,009
железо и неизбежные примеси	остальное

при этом горячую прокатку проводят с температурой конца прокатки 825-890°С, смотку горячекатаных полос ведут при температуре 505-630°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 600-700°С, а дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сталь дополнительно содержит 0,0008-0,0030 мас.% бора.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержание углерода и фосфора связано с требуемым минимальным пределом текучести следующими зависимостями:
[С]=(0,0005·К_пр-0,065)±0,02, мас.%;
[Р]=(0,0005·К_пр-0,05)±0,20, мас.%,
где [С] - содержание углерода в стали, мас.%;
[Р] - содержание фосфора в стали, мас.%,
0,0005; 0,065; 0,05 - эмпирические коэффициенты, %;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что продолжительность рекристаллизационного отжига составляет 7-20 ч.