Способ производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей автомобиля методом штамповки. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получение стали требуемого класса прочности, соответствующего требуемому минимальному пределу текучести. Технический результат достигается тем, что в способе производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности из низколегированной стали для холодной штамповки, включающем выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг с нанесением цинкового покрытия и дрессировку, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую, мас.%: углерод - 0,05-0,10, марганец - 0,25-0,90, алюминий - 0,01-0,07, азот - не более 0,009, ниобий и/или титан - 0,01-0,08 каждого, железо и неизбежные примеси - остальное. Температуру конца горячей прокатки поддерживают в диапазоне 840-905°С, а температуру смотки горячекатаных полос - в диапазоне 560-690°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 710-850°С, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%. Содержание углерода, марганца и температура отжига связаны с требуемым минимальным пределом текучести (классом прочности) зависимостями:;

T_отж≥(900-0,455·K_пр), где [С] - содержание углерода в стали, %; [Мn] - содержание марганца в стали, %; Т_отж - температура рекристаллизационного отжига, °С; К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести; 0,0416; 0,167; 0,0016; 0,034 - эмпирические коэффициенты, %; 900; 0,455 - эмпирические коэффициенты, °С. 3 з.п. ф-лы; 6 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячеоцинкованного 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 требованию европейского стандарта EN 10292-04 (таблица 1).

Известен способ производства стали, содержащей не более 0,007% углерода и 0,006% азота, включающий нагрев слябов при температурах 1000-1160°С, горячую прокатку в полосы с температурой конца прокатки 620-720°С, смотку в рулоны при температурах 600-680°С, холодную прокатку с обжатиями не менее 70%, отжиг при температурах 650-900°С и дрессировку. Выдержку при отжиге холоднокатаной стали проводят в течение 5-18 минут при температурах 750-900°С в проходных печах, а выдержку в течение 11-34 часов при температурах 650-750°С в колпаковых печах [Патент РФ №2258749, МПК С21D 8/04, С21D 9/48, 20.08.2005 г.].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 260 до 420.

Известен способ производства горячеоцинкованного металла высших категорий вытяжки, включающий горячую прокатку с температурой смотки 500±30°С, холодную прокатку с суммарным обжатием не более 70%, отжиг в колпаковой печи в защитной атмосфере с одноступенчатым нагревом при температуре 680-710°С и термическую обработку металла в линии агрегата непрерывного горячего цинкования при температурах 490-510°С со скоростью нагрева 10,8-11,4°С/с на первой стадии, при температурах 520-560°С со скоростью нагрева 0,4-0,8°С/с на второй стадии и выдержкой при этих температурах 85 с, охлаждение, перестаривание и нанесение тончайшего цинкового покрытия [Патент РФ №2128719, МПК С21D 9/48, С21D 8/04, С23С 2/40, 10.04.1999 г.].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств классов прочности от 260 до 420.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства холоднокатаной стали для глубокой вытяжки, включающий выплавку стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,002-0,008
Кремний	0,005-0,025
Марганец	0,050-0,20
Фосфор	0,005-0,025
Сера	0,003-0,012
Алюминий	0,02-0,07
Азот	0,002-0,007
Титан	0,02-0,05
Ниобий	0,001-0,080
Железо и неизбежные примеси	остальное,

разливку, горячую прокатку, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг с нанесением цинкового покрытия и дрессировку.

Горячую прокатку заканчивают при температуре, определяемой из соотношения:

T_кп≥7300/(3,0-lg[Nb][C])-253,

где Ткп - температура конца прокатки, °С,

[Nb] и [С] - содержание ниобия и углерода в стали, %,

а рекристаллизационный отжиг осуществляют в проходной печи при температуре, назначаемой в зависимости от содержания ниобия в стали в соответствии с уравнением:

Т_отж=(750+1850[Nb]±20,

где Т_отж - температура термической обработки, °С,

[Nb] - содержание ниобия в стали, мас.% [Патент РФ №2255989, МПК С21D 8/04, С22С 38/04, 10.07.2005 г.] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 260 до 420.

Техническим результатом изобретения является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получение стали требуемого класса прочности.

Технический результат достигается тем, что в способе производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности из низколегированной стали для холодной штамповки, включающем выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг с нанесением цинкового покрытия и дрессировку, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую углерод - 0,05-0,10%; марганец - 0,25-0,90%; алюминий - 0,01-0,07%; азот - не более 0,009%; ниобий и/или титан - 0,01-0,08% каждого; железо и неизбежные примеси - остальное. Температуру конца горячей прокатки поддерживают в диапазоне 840-905°С, а температуру смотки горячекатаных полос - в диапазоне 560-690°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 710-850°С, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%.

Согласно изобретению содержание углерода, марганца и температура отжига связаны с требуемым минимальным пределом текучести (классом прочности) зависимостями:

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

[Mn] - содержание марганца в стали, %;

Т_отж - температура рекристаллизационного отжига, °С;

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

0,0416; 0,167; 0,0016; 0,034 - эмпирические коэффициенты, %;

900; 0,455 - эмпирические коэффициенты, °С.

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 0,05% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,10% приводит к снижению пластичности стали, что недопустимо.

Марганец обеспечивает получение заданных механических свойств. При содержании марганца менее 0,25% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 0,90% 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 0,07% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.

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

Ниобий и титан применены как легирующие элементы и обеспечивают получение необходимых прочностных свойств. При содержании ниобия или титана менее 0,01% не удается получить требуемый уровень прочности. Увеличение содержания ниобия или титана более 0,08% нецелесообразно вследствие чрезмерного упрочнения стали и ухудшения пластичности.

Горячая прокатка с температурами конца прокатки 840-905°С и смотки 560-690°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 710-850°С 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 710°С в проходных печах приводит к появлению в микроструктуре отдельных прерывистых строчек рекристаллизованных зерен, что ухудшает штампуемость листовой стали.

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.

Экспериментально установлено, что для получения требуемого класса прочности содержание углерода и марганца должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями: [С]=[0,0416•ln(К_пр)-0,167]±0,015, % и [Мn]=(0,0016•К_пр+0,034)±0,20, %, а температура отжига - в соответствии с выражением Т_отж.≥(900-0,455^·К_пр), °С.

Примеры реализации способа.

В кислородном конвертере выплавили низколегированные стали, химический состав которых приведен в таблице 2.

Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы сечением 250×1280 мм. Слябы нагревали в нагревательной печи с шагающими балками до температуры 1250°С в течение 3,2 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 солянокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате. Затем травленые полосы прокатывали на 5-клетевом стане до толщины 1,0-2,0 мм. Холоднокатаные полосы отжигали в проходных печах с нанесением цинкового покрытия. Отожженные полосы дрессировали с заданным обжатием.

В таблице 3 приведены варианты реализации способа производства горячеоцинкованного проката, а также показатели механических свойств.

В таблицах 4-6 указано необходимое содержание углерода, марганца и температура отжига согласно зависимостей (1)-(3).

Таблица 2 Химический состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание элементов, мас.%
С	Mn	Al	N	Nb	Ti	Fe и неизбежные примеси
1	0,03	0,20	0,05	0,006	0,008	0,003	Остальное
2	0,05	0,25	0,01	0,005	-	0,025	Остальное
3	0,07	0,55	0,04	0,006	0,010	-	Остальное
4	0,08	0,66	0,04	0,006	0,025	0,010	Остальное
5	0,09	0,74	0,06	0,009	0,030	0,080	Остальное
6	0,10	0,90	0,07	0,006	0,080	0,025	Остальное
7	0,11	0,98	0,08	0,010	0,085	0,003	Остальное
8 (прототип)	0,008	0,18	0,04	0,005	0,08	0,02	Остальное

Таблица 4 Минимальное и максимальное содержание углерода, рассчитанное согласно зависимости [С]=[0,0416•ln(Кпр)-0,167]±0,015, %
№ состава	Содержание С, мас.%	Требуемый класс прочности Кпр	Содержание С, мас.% согласно зависимости [С]=[0,0416•ln(Кпр)-0,167]±0,015, %
Cmin	Сmax
1	0,03	260	0,049	0,079
2	0,05	260	0,049	0,079
3	0,07	300	0,055	0,085
4	0,08	340	0,061	0,091
5	0,09	380	0,065	0,095
6	0,10	420	0,069	0,099
7	0,11	420	0,069	0,099
8 (прототип)	0,008	260	0,045	0,085

Таблица 5 Минимальное и максимальное содержание марганца, рассчитанное согласно зависимости [Мn]=(0,0016•Кпр+0,034)±0,20, %
№ состава	Содержание Мn, мас.%	Требуемый класс прочности Кпр	Содержание Мn, мас.% согласно зависимости [Мn]=(0,0016•Кпр+0,034)±0,20, %
Mnmin	Мnmax
1	0,20	260	0,25	0,65
2	0,25	260	0,25	0,65
3	0,55	300	0,314	0,714
4	0,66	340	0,378	0,778
5	0,74	380	0,442	0,842
6	0,90	420	0,506	0,906
7	0,98	420	0,506	0,906
8 (прототип)	0,18	260	0,25	0,65

Таблица 6 Температура рекристаллизационного отжига Тотж, рассчитанная согласно зависимости Тотж.≥(900-0,455·Кпр), °С
№ состава	Температура рекристаллизационного отжига, °С	Требуемый класс прочности Кпр	Температура отжига Тотж согласно зависимости Тотж.≥(900-0,455·Кпр), °С
не менее
1	860	260	781,7
2	850	260	781,7
3	810	300	763,5
4	790	340	745,3
5	750	380	727,1
6	710	420	708,9
7	705	420	708,9
8 (прототип)	750-880	260	781,7

Из таблиц 2-6 видно, что в случае реализации предложенного способа (составы №2-6) и выполнения зависимостей (1)-(3) достигаются механические свойства с классами прочности от 260 до 420. При запредельных значениях заявленных параметров (составы №1 и 7) и использовании способа-прототипа классы прочности от 260 до 420 не достигаются: для состава №1 классу прочности 260 не соответствуют предел текучести и предел прочности; для состава №7 классу прочности 420 не соответствует относительное удлинение; для способа-прототипа (состав №8) классу прочности 260 не соответствует предел текучести.

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

1. Способ производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности из низколегированной стали для холодной штамповки, включающий выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг с нанесением цинкового покрытия и дрессировку, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:

Углерод	0,05-0,10
Марганец	0,25-0,90
Алюминий	0,01-0,07
Азот	не более 0,009
Ниобий и/или титан	0,01-0,08 каждого
Железо и неизбежные примеси	остальное

при этом температуру конца горячей прокатки поддерживают в диапазоне 840-905°С, а температуру смотки горячекатаных полос - в диапазоне 560-690°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 710-850°С, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание углерода в стали связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[С]=[0,0416·ln(К_пр)-0,167]±0,015,
где [С] - содержание углерода в стали, мас.%;
0,0416 - эмпирический коэффициент, %;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,167 - эмпирический коэффициент, %.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание марганца в стали связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[Мn]=(0,0016·К_пр+0,034)±0,20,
где [Мn] - содержание марганца в стали, мас.%;
0,0016 - эмпирический коэффициент, %;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,034 - эмпирический коэффициент, %.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рекристаллизационный отжиг проводят при температуре, определяемой по зависимости:
Т_отж≥(900-0,455·К_пр),
где Т_отж - температура рекристаллизационного отжига, °С;
900 - эмпирический коэффициент, °С;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,455 - эмпирический коэффициент, °С.