Способ производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячеоцинкованного проката 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. Технический результат достигается тем, что осуществляют выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг с нанесением цинкового покрытия и дрессировку, при этом выплавляют сталь, содержащую, мас.%: 0,025-0,10 углерода, 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, температуру горячей прокатки поддерживают в диапазоне 840-905°С, температуру смотки - 560-690°С, рекристаллизационный отжиг ведут при 750-880°С, а дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%. Содержание углерода, фосфора и температура отжига связаны с требуемым классом прочности зависимостями: [С]=(0,0005·К_пр-0,065)±0,02; [Р]=(0,0005·К_пр-0,05)±0,02; T_отж≥(900-0,5-К_пр), где: [С] - содержание углерода в стали, мас.%, [Р] - содержание фосфора в стали, мас.%, T_отж - температура рекристаллизационного отжига, °С, К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести; 0,0005; 0,065; 0,05 - эмпирические коэффициенты, %; 900; 0,5 - 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 с фосфором, 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):

Таблица 1
Класс прочности (Кпр)*	Марка	Предел текучести σ0,2 (Rel), Н/мм2	Временное сопротивление σв (Rm), Н/мм2	Относительное удлинение δ80, %, не менее
220	HX220PD	220-280	340-400	32
260	HX260PD	260-320	380-440	28
300	HX300PD	300-360	400-480	26
Примечание: *Класс прочности заложен в наименование марки по EN 10292-04. Числовое значение соответствует минимальному пределу текучести.

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 220 до 300.

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 220 до 300.

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

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:

Т_кп≥7300/(3,0-lg[Nb][C])-253,

где Т_кп - 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:

T_отж=(750+1850[Nb]±20,

где Т_отж- температура термической обработки, °С,

[Nb] - содержание ниобия в стали, масс.% [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 220 до 300.

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 0,025-0,10% углерода, 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, при этом температуру горячей прокатки поддерживают в диапазоне 840-905°С, а температуру смотки - 560-690°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 750-880°С, а дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%.

Согласно изобретению содержание углерода, фосфора и температура отжига связаны с требуемым классом прочности зависимостями:

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

[Р] - содержание фосфора в стали, %;

Т_отж - температура рекристаллизационного отжига, °С;

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

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

900; 0,5 - 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 0,025% 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 0,41% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 0,70% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.

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.

Алюминий введен в сталь как раскислитель. При содержании алюминия менее 0,01% снижается пластичность стали, при этом 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.

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 750-880°С формируется однородная микроструктура с баллом зерна 9-10 и минимальным выделением структурно-свободного цементита. Снижение температуры отжига ниже 750°С в проходных печах приводит к появлению в микроструктуре отдельных прерывистых строчек рекристаллизованных зерен, что ухудшает штампуемость листовой стали. Увеличение температуры отжига выше 880°С не обеспечивает необходимый уровень механических свойств.

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 более 2,1% ограничена техническими возможностями дрессировочного стана.

Экспериментально установлено, что для получения требуемого класса прочности содержание углерода и фосфора должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями [С]=(0,0005·К_пр-0,065)±0,02,%, и [Р]=(0,0005·К_пр-0,05)±0,02,%, а температура отжига - в соответствии с выражением Т_отж≥(900-0,5 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 горячекатаного проката, а также показатели механических свойств.

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

Таблица 2 Химический состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание элементов, масс.%
	С	Mn	Р	Аl	N	Fe и неизбежные примеси
1	0,02	0,35	0,015	0,05	0,006	Ост.
2	0,25	0,41	0,040	0,01	0,005	Ост.
3	0,06	0,55	0,068	0,04	0,006	Ост.
4	0,10	0,70	0,120	0,08	0,009	Ост.
5	0,11	0,80	0,125	0,09	0,006	Ост.
6 (прототип)	0,008	0,18	0,018	0,04	0,005	Ост.
Примечание: состав №6 содержит 0,02% титана и 0,08% ниобия

Таблица 3 Технологические параметры производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности и показатели механических свойств
№ состава	Температура конца горячей прокатки Ткп, °С	Температура смотки при горячей прокатке Тсм, °С	Температура отжига, °С	Степень обжатия при дрессировке, %	Предел текучести σт, Н/мм2	Предел прочности σв, Н/мм2	Относительное удлинение δ80, %
1	910	680	890	0,7	210	330	37
2	905	690	880	0,8	240	360	33
3	865	640	850	1,5	285	405	30
4	840	560	750	2,1	340	445	28
5	830	520	745	2,1	365	490	22
6(прототип)	880-920	700	750-880	0,8	-	-	-

Таблица 4 Минимальное и максимальное содержание углерода, рассчитанное согласно зависимости [С]=(0,0005·Кпр-0,065)±0,02, %
№ состава	Содержание С, масс.%	Требуемый класс прочности Кпр	Содержание С, масс.% согласно зависимости [С]=(0,0005·Кпр-0,065)±0,02,%
			Cmin	Cmах
1	0,02	220	0,025	0,065
2	0,25	220	0,025	0,065
3	0,06	260	0,045	0,085
4	0,10	300	0,065	0,105
5	0,11	300	0,065	0,105
6(прототип)	0,008	220	0,025	0,065

Таблица 5 Минимальное и максимальное содержание фосфора, рассчитанное согласно зависимости [Р]=(0,0005·Кпр-0,05)±0,02, %
№ состава	Содержание Р, масс.%	Требуемый класс прочности Кпр	Содержание Р, масс.% согласно зависимости [Р]=(0,0005·Кпр-0,05)±0,02, %
			Pmin	Рmах
1	0,015	220	0,04	0,08
2	0,040	220	0,04	0,08
3	0,068	260	0,06	0,10
4	0,120	300	0,08	0,12
5	0,125	300	0,08	0,12
6 (прототип)	0,018	220	0,04	0,08

Таблица 6 Температура рекристаллизационного отжига Тотж, рассчитанная согласно зависимости Тотж.≥(900-0,5•Кпр), °С
№ состава	Температура рекристаллизационного отжига, °С	Требуемый класс прочности Кпр	Температура отжига Тотж согласно зависимости Тотж(900-0, 5·Кпр), °С
			не менее
1	890	220	790
2	880	220	790
3	850	260	770
4	750	300	750
5	745	300	750
6 (прототип)	750-880	220	790

Из таблиц 2-6 видно, что в случае реализации предложенного способа (составы №2-4) и выполнении зависимостей (1)-(3) достигаются механические свойства с классами прочности от 220 до 300. При запредельных значениях заявленных параметров (составы №1 и 5) и использовании способа-прототипа классы прочности от 220 до 300 не достигаются: для состава №1 классу прочности 220 не соответствует предел текучести и предел прочности; для состава №5 классу прочности 300 не соответствует предел текучести и относительное удлинение.

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	0,025-0,10
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 температуру горячей прокатки поддерживают в диапазоне 840-905°С, а температуру смотки - 560-690°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 750-880°С, а 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]=(0,0005·К_пр-0,065)±0,02,
где [С] - содержание углерода в стали, мас.%;
0,0005 - эмпирический коэффициент, %;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,065 - эмпирический коэффициент, %.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание фосфора в стали связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[P]=(0,0005·К_пр-0,05)±0,02,
где [Р] - содержание фосфора в стали, мас.%;
0,0005 - эмпирический коэффициент, %;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,05 - эмпирический коэффициент, %.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рекристаллизационный отжиг проводят при температуре, определяемой по зависимости:
Т_отж≥(900-0,5·К_пр),
где Т_отж - температура рекристаллизационного отжига, °С;
900 - эмпирический коэффициент, °С;
K_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,5 - эмпирическией коэффициент, °С.