Сталь и изделие, выполненное из нее (варианты)
Владельцы патента RU 2387731:
Открытое акционерное общество "Северсталь" (ОАО "Северсталь") (RU)
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам сталей, используемых при производстве горячекатаного и холоднокатаного проката повышенной прочности с покрытием и без покрытия, предназначенного для изготовления изделий автомобиля методом штамповки. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси, при следующем соотношении компонентов, 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. Сталь может дополнительно содержать титан, или ниобий, или ванадий в количестве 0,01-0,03 мас.%, а также бор в количестве 0,0008-0,003 мас.%. Содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью: [С]≥(0,0005·Кпр-0,085), %, где [С] - содержание углерода в стали, %, 0,0005 и 0,085 - эмпирические коэффициенты, %, Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести. Получаемый прокат обладает повышенными прочностными характеристиками и хорошей штампуемостью, а также пониженными производственными издержками. 5 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам сталей и изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при производстве горячекатаного и холоднокатаного проката повышенной прочности с покрытием и без покрытия, предназначенного для изготовления изделий автомобиля методом штамповки.
Известна сталь для производства листового проката [Патент РФ 2190685, МПК С22С 38/54, 10.10.2002], содержащая углерод, марганец, кремний, медь, алюминий, бор, кальций, титан, азот, фосфор, ниобий, хром, никель, ванадий следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,01-0,1 |
| Марганец | 0,1-0,9 |
| Кремний | 0,01-0,50 |
| Медь | 0,01-0,1 |
| Алюминий | 0,02-0,07 |
| Бор | 0,0001-0,005 |
| Кальций | 0,0005-0,004 |
| Титан | 0,001-0,03 |
| Азот | 0,002-0,01 |
| Фосфор | 0,005-0,12 |
| Ванадий | 0,001-0,08 |
| Ниобий | 0,001-0,05 |
| Хром | 0,01-0,1 |
| Никель | 0,01-0,1 |
Железо и неизбежные примеси.
Недостатком известной стали является низкая пластичность и высокая себестоимость стали из-за наличия дорогостоящих легирующих элементов, таких как хром, никель, медь. При этом сталь содержит кальций.
Известна сталь [Патент РФ 2186145, МПК С22С 38/50, 27.07.2002], содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, титан, алюминий, серу, фосфор, азот, кальций и железо следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,02-0,08 |
| Кремний | 0,003-0,40 |
| Марганец | 0,20-1,20 |
| Хром | 0,01-4,0 |
| Никель | 0,01-0,60 |
| Медь | 0,01-0,50 |
| Титан | 0,002-0,22 |
| Алюминий | 0,02-0,15 |
| Сера | 0,005-0,025 |
| Фосфор | 0,003-0,020 |
| Азот | 0,002-0,018 |
| Кальций | 0,0001-0,02 |
| Железо | остальное. |
Недостатком известной стали является низкая пластичность и высокая себестоимость стали из-за наличия дорогостоящих легирующих элементов, таких как хром, никель, медь. Легирование титаном в больших количествах до 0,22% увеличивает себестоимость стали. Сталь содержит кальций.
Известна сталь [Патент 2268950, МПК С22С 38/16, C21D 8/02, 27.01.2006 г.], состав которой содержит, вес.%:
| Углерод | 0,03-0,06 |
| Марганец | 0,50-1,10 |
| Кремний | 0,08-0,20 |
| Алюминий | 0,015-0,070 |
| Азот | ≤0,007 |
| Никель | ≤0,040 |
| Медь | ≤0,040 |
| Фосфор | ≤0,035 |
| Сера | ≤0,015 |
| Молибден | ≤0,008 |
| Титан | ≤0,005 |
Железо и примеси - остальное
сталь содержит также бор в таком количестве, что 0,65≤B/N≤1,60, а содержание марганца и кремния являются такими, что 4≤Mn/Si≤15.
Недостатком известной стали является пониженная прочность стали.
Наиболее близкими по своей технической сущности к предлагаемому изобретению являются сталь и изделие, выполненное из нее, согласно патенту РФ 2212468, МПК С22С 38/16, 20.03.2003. Согласно изобретению сталь содержит углерод, марганец, медь, алюминий, фосфор, азот, хром, кальций, серу и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,05-0,09 |
| Марганец | 0,15-0,40 |
| Медь | 0,01-0,50 |
| Алюминий | 0,03-0,07 |
| Фосфор | 0,04-0,10 |
| Азот | 0,003-0,007 |
| Хром | 0,01-0,20 |
| Кальций | 0,0005-0,0010 |
| Сера | 0,005-0,025 |
| Железо | остальное |
при этом содержание серы и кальция определяют соотношением S/Ca>5, а содержание фосфора, углерода, марганца и хрома выражается зависимостью Р/[0,126-0,14(С+Mn+Cr)]>0,5 - прототип.
Недостатком этой стали является низкая пластичность и высокая себестоимость стали из-за наличия дорогостоящих легирующих элементов, таких как хром, медь.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении стали с низкой себестоимостью для производства горячекатаного и холоднокатаного проката повышенной прочности (с покрытием и без покрытия), предназначенного для изготовления изделий автомобиля методом холодной штамповки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение проката с повышенными прочностными характеристиками с хорошей штампуемостью и изделий автомобиля из стали с фосфором при снижении производственных издержек.
Снижение производственных издержек заключается в оптимизации химического состава стали без применения дорогостоящих легирующих элементов, таких как никель, хром.
Технический результат достигается тем, что сталь содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, алюминий, железо и неизбежные примеси в следующем соотношении: углерод 0,025-0,10%, кремния 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 содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью: [С]≥(0,0005·Кпр-0,085), %, где [С] - содержание углерода в стали, 0,0005 и 0,085 - эмпирические коэффициенты, Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
Как вариант, технический результат достигается также тем, что сталь содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, титан, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси в следующем соотношении: углерод 0,025-0,10%, кремний не более 0,30%, марганец 0,41-0,70%, фосфор 0,04-0,12%, титан 0,01-0,03%, алюминий 0,01-0,08%, азот не более 0,009%, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью: [С]≥(0,0005·Кпр-0,085), %, где [С] - содержание углерода в стали, 0,0005 и 0,085 - эмпирические коэффициенты, Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
Как вариант, технический результат достигается также тем, что сталь содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, ниобий, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси в следующем соотношении углерод 0,025-0,10%, кремний не более 0,30%, марганец 0,41-0,70%, фосфор 0,04-0,12%, ниобий 0,01-0,03%, алюминий 0,01-0,08%, азот не более 0,009%, железо и неизбежные примеси - остальное.
Как вариант, технический результат достигается также тем, что сталь содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, ванадий, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси в следующем соотношении: углерод 0,025-0,10%, кремний не более 0,30%, марганец 0,41-0,70%, фосфор 0,04-0,12%, ванадий 0,01-0,03%, алюминий 0,01-0,08%, азот не более 0,009%, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью: [С]≥(0,0005·Кпр-0,085), %, где [С] - содержание углерода в стали, 0,0005 и 0,085 - эмпирические коэффициенты, Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
Технический результат достигается также тем, что сталь дополнительно содержит 0,0008-0,0030% бора.
Технический результат достигается также тем, что изделия выполняют из стали предложенных составов.
Сущность изобретения состоит в следующем. Механические свойства проката зависят от химического состава стали.
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.
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, 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.
Титан, ниобий и ванадий применены как легирующие элементы и обеспечивают получение необходимых прочностных свойств. При содержании менее 0,01% не удается получить требуемый уровень прочности. Увеличение содержания более 0,03% нецелесообразно вследствие чрезмерного упрочнения стали и ухудшения пластичности.
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.
Экспериментально установлено, что для получения требуемого класса прочности содержание углерода должно быть регламентировано в соответствии с зависимостью: [С]≥(0,0005·Кпр-0,085), %, где [С] - содержание углерода в стали, %; 0,0005 и 0,085 - эмпирические коэффициенты, %; Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
Примеры реализации способа.
В кислородном конвертере выплавили 12 плавок стали, химический состав которых приведен в таблице 1.
Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы. Слябы нагревали в нагревательной печи с шагающими балками и прокатывали на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 2,3-5,5 мм. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге охлаждали водой и сматывали в рулоны. Охлажденные рулоны подвергали солянокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате. Травленые полосы прокатывали на 5-клетевом стане до толщины 0,7-3,0 мм. Холоднокатаные полосы отжигали в колпаковых печах с водородной защитной атмосферой или в проходных печах с нанесением покрытия. Отожженные полосы дрессировали.
Механические свойства опытных плавок приведены в таблице 2.
В таблице 3 приведено минимальное содержание углерода согласно зависимости [С]≥(0,0005·Кпр-0,085).
Из таблиц 1-2 видно, что в случае реализации предложенного способа (составы №2-9) достигаются механические свойства с повышенным уровнем прочности и высокой пластичностью: предел текучести от 235 до 350 Н/мм2, предел прочности от 335 до 425 Н/мм2, относительное удлинение от 25 до 39%. При запредельных значениях заявленных параметров (составы №1 и №10) и использовании способа-прототипа (состав №11) достигаются свойства либо с низкой прочностью (состав №1 и №11), либо с низкой пластичностью (состав №10).
Из таблицы 3 видно, что при содержании углерода в стали в соответствии с зависимостью [С]≥(0,0005·Кпр-0,085) (составы №2-9) получен предел текучести требуемого класса прочности. В случае запредельного содержания углерода по приведенной зависимости получено низкое значение предела текучести (составы №1 и №11).
| Таблица 2 | ||||
| Механические свойства готового проката | ||||
| № состава | Вид проката | Предел текучести σт, Н/мм2 | Предел прочности σв, Н/мм2 | Относительное удлинение δ80, % |
| 1 | Холоднокатаный | 210 (низкое значение) | 330 | 40 |
| 2 | Холоднокатаный | 235 | 335 | 39 |
| 3 | Горячекатаный | 240 | 340 | 37 |
| 4 | Оцинкованный | 245 | 340 | 36 |
| 5 | Холоднокатаный | 280 | 380 | 35 |
| 6 | Холоднокатаный | 290 | 385 | 33 |
| 7 | Горячекатаный | 275 | 375 | 30 |
| 8 | Холоднокатаный | 330 | 415 | 27 |
| 9 | Горячекатаный | 350 | 425 | 25 |
| 10 | Холоднокатаный | 400 | 460 | 15 (низкое значение) |
| 11 (прототип) | Горячекатаный | 245-294 | 387-452 | 35-40 |
| Холоднокатаный | 263-315 | 403-485 | 34-38 |
1. Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, 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 содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[С]≥(0,0005·Кпр-0,085), %,
где [С] - содержание углерода в стали, %,
0,0005 и 0,085 - эмпирические коэффициенты, %,
Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,0008-0,0030% бора.
3. Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, титан, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,025-0,10 |
| кремний | не более 0,30 |
| марганец | 0,41-0,70 |
| фосфор | 0,04-0,12 |
| титан | 0,01-0,03 |
| алюминий | 0,01-0,08 |
| азот | не более 0,009 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
при этом содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[С]≥(0,0005·Кпр-0,085), %,
где [С] - содержание углерода в стали, %,
0,0005 и 0,085 - эмпирические коэффициенты, %,
Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
4. Сталь по п.3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,0008-0,0030% бора.
5. Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, ниобий, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,025-0,10 |
| кремний | не более 0,30 |
| марганец | 0,41-0,70 |
| фосфор | 0,04-0,12 |
| ниобий | 0,01-0,03 |
| алюминий | 0,01-0,08 |
| азот | не более 0,009 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
при этом содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[С]≥(0,0005·Кпр-0,085), %,
где [С] - содержание углерода в стали, %,
0,0005 и 0,085 - эмпирические коэффициенты, %,
Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
6. Сталь по п.5, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,0008-0,0030% бора.
7. Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, ванадий, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,025-0,10 |
| кремний | не более 0,30 |
| марганец | 0,41-0,70 |
| фосфор | 0,04-0,12 |
| ванадий | 0,01-0,03 |
| алюминий | 0,01-0,08 |
| азот | не более 0,009 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
при этом содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[С]≥(0,0005·Кпр-0,085), %,
где [С] - содержание углерода в стали, %,
0,0005 и 0,085 - эмпирические коэффициенты, %,
Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
8. Сталь по п.7, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,0008-0,0030% бора.
9. Изделие, выполненное из стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по любому из пп.1-8.
