СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОГО ПРОКАТА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ Российский патент 2009 года по МПК C21D8/04 C21D9/48 C22C38/06 

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 093-87 и EN 10268-06 (таблица 1):

Таблица 1 Стандарт Класс прочности
K_пр* Марка Предел текучести σ_0,2 (R_el), H/мм² Временное сопротивление σ_в (R_m), Н/мм² Относительное удлинение δ₈₀, %, не менее SEW 093-87 260 ZStE260 260-340 350-450 24 300 ZStE300 300-380 380-480 22 340 ZStE340 340-440 410-530 20 380 ZStE380 380-500 460-600 18 420 ZStE420 420-540 480-620 16 EN 10268-06 260 HC260LA 260-330 350-430 26 300 HC300LA 300-380 380-480 23 340 HC340LA 340-420 410-510 21 380 HC380LA 380-480 440-560 19 420 HC420LA 420-520 470-590 17 Примечание: * Класс прочности заложен в наименование марки по указанным стандартам. Числовое значение соответствует минимальному пределу текучести.

Известен способ производства холоднокатаных листов, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод не более 0,07

Марганец 0,25-0,35

Кремний 0,01

Фосфор не более 0,020

Сера не более 0,025

Никель не более 0,06

Медь не более 0,06

Хром не более 0,03

Железо остальное

Непрерывнолитые слябы нагревают до температуры 1300°С, прокатывают в полосы с температурой конца прокатки 860-920°С, охлаждают водой до температуры 550-650°С и выше, после чего сматывают в рулоны. Горячекатаные полосы подвергают травлению и холодной прокатке до требуемой толщины. Затем холоднокатаные полосы в рулонах отжигают при температуре 680-690°С в течение 30-40 ч и дрессируют с обжатием 1,0-1,5% [С.С.Гусева и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. - М.: Металлургия, 1979 г., с.9-26].

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

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 260 до 420.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является 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 C21D 8/04, опубл. 27.01.2003, прототип].

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

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении холоднокатаного проката повышенной прочности, предназначенного для холодной штамповки.

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

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 0,05-0,10

Кремний 0,003-0,30

Марганец 0,25-1,20

Алюминий 0,01-0,07

Азот не более 0,009

Ниобий и/или титан 0,01-0,08 каждого

Железо и неизбежные примеси остальное,

горячую прокатку проводят с температурой конца прокатки 820-875°С, смотку горячекатаных полос ведут при температуре 510-640°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 600-700°С, продолжительность рекристаллизационного отжига в колпаковой печи составляет 9-21 час, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%.

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

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

0,0416; 0,167; 0,0035; 0,46 - эмпирические коэффициенты, %;

810; 0,5 - эмпирические коэффициенты, °С;

K_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 0,05% 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 0,25% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,20% 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 (более 0,08%) или титана (более 0,08%) нецелесообразно вследствие чрезмерного упрочнения стали и ухудшения пластичности.

Горячая прокатка с температурами конца прокатки 820-875°С и смотки 510-640°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 9-21 часа 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 9 часов в колпаковых печах приводит к появлению в микроструктуре отдельных прерывистых строчек рекристаллизованных зерен, что ухудшает штампуемость листовой стали. Увеличение времени выдержки более 21 часа неоправданно удлиняет отжиг.

Окончательно механические свойства формируются при дрессировке с обжатием 0,8-2,1%. Обжатие менее 0,8% не обеспечивает необходимый уровень механических свойств, приводит к появлению площадки текучести на диаграмме растяжения при испытании на разрыв, а значит к старению металла. Дрессировка с обжатием 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(K_пр)-0,167]±0,015, %; [Mn]=(0,0035·К_пр- 0,46)±0,20, %, а температура отжига - в соответствии с выражением T_отж.≥(810-0,5·K_пр), °С.

Примеры реализации способа

В кислородном конвертере выплавили 7 плавок 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 2,5-3,5 ч 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 колпаковых печах с водородной защитной атмосферой. Отожженные полосы дрессировали с заданным обжатием. Технологические параметры на прокатных переделах приведены в таблице 3. Механические свойства опытных плавок приведены в таблице 4.

В таблицах 2-4 приведены химический состав, технологические параметры и механические свойства предложенного способа (плавки 2-6), способа при запредельных значениях заявленных параметров (плавки 1 и 7) и способа-прототипа (плавка 8). Примеры реализации зависимостей (1)-(3) приведены в таблицах 5-7. Из таблиц 2-7 видно, что в случае реализации предложенного способа (плавки 2-6) на холоднокатаном прокате достигаются механические свойства с пределом текучести 260-540 Н/мм², временным сопротивлением 350-620 Н/мм², относительным удлинением более 16%, причем согласно зависимостям (1)-(3) механические свойства соответствуют различным классам прочности от 260 до 420. При запредельных значениях заявленных параметров (плавки 1 и 7) и использовании способа-прототипа (плавка 8) механические свойства проката классов прочности от 260 до 420 не достигаются: для плавки №1 классу прочности 260 не соответствует предел текучести и временное сопротивление; для плавки №7 классу прочности 420 не соответствует относительное удлинение; для способа-прототипа (плавка №8) классу прочности 260 не соответствует предел текучести и временное сопротивление.

Из проката у потребителя изготавливали высоконагруженные детали автомобиля, такие как усилители корпуса и несущие детали рамы автомобиля, с хорошими результатами по штамповке.

Таблица 2
Химический состав опытных плавок №№ плавок Содержание элементов, мас.% С Si Mn Al N Nb Ti Fe и неизбежные примеси 1 0,03 0,03 0,20 0,01 0,006 0,008 0,002 Остальное 2 0,05 0,11 0,25 0,01 0,005 0,010 0,025 Остальное 3 0,07 0,16 0,65 0,04 0,006 0,030 0,003 Остальное 4 0,08 0,21 0,76 0,04 0,006 0,055 0,010 Остальное 5 0,08 0,22 0,85 0,05 0,006 0,002 0,080 Остальное 6 0,10 0,30 1,20 0,07 0,009 0,080 0,035 Остальное 7 0,11 0,35 1,30 0,08 0,010 0,090 0,002 Остальное 8 (прототип) 0,0045 0,028 0,13 0,03 0,003 - 0,09 Остальное

Таблица 3
Технологические параметры на прокатных переделах №№ плавок Температура конца прокатки Т_кп, °С Температура смотки при г/п
T_см, °С Температура рекристаллизационного отжига в колпаковых печах, °С Время выдержки при отжиге, ч Степень обжатия при дрессировке, % 1 885 650 710 8,5 0,7 2 875 640 700 9 0,8 3 845 570 670 12 1,5 4 845 550 650 11 1,8 5 850 530 630 15 1,8 6 820 510 600 21 2,1 7 815 508 590 22 2,2 8 (прототип) 880 640 730 22 0,8   Таблица 4
Механические свойства опытных плавок №№ плавок Предел текучести
σ_т, Н/мм² Временное сопротивление σ_в, Н/мм² Относительное удлинение δ₈₀, % Достигнутый результат 1 210 330 37 Классу прочности 260 не соответствует предел текучести и временное сопротивление 2 280 360 30 Класс прочности 260 3 340 430 26 Класс прочности 300 4 370 465 24 Класс прочности 340 5 395 470 20 Класс прочности 380 6 440 495 18 Класс прочности 420 7 490 530 10 Классу прочности 420 не соответствует относительное удлинение 8 (прототип) 162-170 300-305 δ₁₀ 55-56 Классу прочности 260 не соответствует предел текучести и временное сопротивление

Таблица 5
Содержание углерода в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно [С]=[0,0416·ln(K_пр)-0,167]±0,015, % № плавок Содержание С
(мас.%) Требуемый класс прочности
K_пр Содержание С (мас.%) согласно зависимости
[С]=[0,0416·ln(K_пр)-0,167]±0,015, % Соответствие формуле изобретения C_min C_max 1 0,03 260 0,049 0,080 Не соответствует 2 0,05 260 0,049 0,080 Соответствует 3 0,07 300 0,055 0,085 Соответствует 4 0,08 340 0,061 0,09 Соответствует 5 0,08 380 0,065 0,095 Соответствует 6 0,10 420 0,069 0,010 Соответствует 7 0,11 420 0,069 0,010 Не соответствует   Таблица 6
Содержание марганца в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно [Mn]=(0,0035·K_пр-0,46)±0,20, % № плавок Содержание Mn (мас.%) Требуемый класс прочности K_пр Содержание Mn (мас.%) согласно зависимости
[Mn]=(0,0035·K_пр-0,46)±0,20, % Соответствие формуле изобретения Mn_min Mn_max 1 0,20 260 0,25 0,65 Не соответствует 2 0,25 260 0,25 0,65 Соответствует 3 0,65 300 0,39 0,79 Соответствует 4 0,76 340 0,53 0,93 Соответствует 5 0,85 380 0,67 1,07 Соответствует 6 1,20 420 0,81 1,21 Соответствует 7 1,30 420 0,81 1,21 Не соответствует

Таблица 7
Температура рекристаллизационного отжига в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно
T_отж.≥(810-0,5·K_пр), °С № плавок Температура рекристаллизационного отжига в колпаковых печах, °С Требуемый класс прочности
K_пр Температура рекристаллизационного отжига (°С) согласно зависимости T_отж.≥(810-0,5·K_пр), °С Соответствие формуле изобретения Min 1 710 260 680 Не соответствует 2 700 260 680 Соответствует 3 670 300 660 Соответствует 4 650 340 640 Соответствует 5 630 380 620 Соответствует 6 600 420 600 Соответствует 7 590 420 600 Не соответствует

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства холоднокатаного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей автомобиля методом штамповки. Для повышения прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получения стали требуемого класса прочности (класс прочности соответствует требуемому минимальному пределу текучести) способ включает выплавку стали, разливку слябов, горячую прокатку слябов в полосы, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи и дрессировку, при этом выплавляют сталь, содержащую, мас.%: углерод - 0,05-0,10, кремний - не более 0,30, марганец - 0,25-1,20, алюминий - 0,01-0,07, азот - не более 0,009, ниобий и/или титан - 0,01-0,08, железо и неизбежные примеси - остальное, горячую прокатку проводят с температурой конца прокатки 820-875°С, смотку горячекатаных полос ведут при температуре 510-640°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 600-700°С, продолжительность рекристаллизационного отжига в колпаковой печи составляет 9-21 час, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%. Согласно изобретению содержание углерода, марганца и температура отжига связаны с минимальным пределом текучести (классом прочности) зависимостями: [С]=[0,0416·ln(К_пр)-0,167]±0,015, %; [Mn]=(0,0035·К_пр-0,46)±0,20, %; Т_отж≥(810-

0,5·К_пр), °С, где [С], [Mn] - содержание углерода и марганца в стали, %; К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести; 0,0416; 0,167; 0,0035; 0,46 - эмпирические коэффициенты, %; 810; 0,5 - эмпирические коэффициенты, °С. 3 з.п. ф-лы, 7 табл.

1. Способ производства холоднокатаного проката 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 0,05-0,10 кремний не более 0,30 марганец 0,25-1,20 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 горячую прокатку проводят с температурой конца прокатки 820-875°С, смотку горячекатаных полос ведут при температуре 510-640°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 600-700°С, продолжительность рекристаллизационного отжига составляет 9-21 ч, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание углерода связано с требуемым классом прочности следующей зависимостью:
[С]=[0,0416·ln(К_пр)-0,167]±0,015, %,
где [С] - содержание углерода в стали, %;
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 связано с требуемым классом прочности следующей зависимостью:
[Mn]=(0,0035·К_пр-0,46)±0,20, %,
где [Mn] - содержание марганца в стали, %;
0,0035 - эмпирический коэффициент, %;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,46 - эмпирический коэффициент, %.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рекристаллизационный отжиг проводят при температуре, назначаемой в зависимости от требуемого класса прочности в соответствии с выражением:
Т_отж.≥(810-0,5·К_пр), °С,
где Т_отж - температура отжига, °С;
810 - эмпирический коэффициент, °С;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,5 - эмпирический коэффициент, °С.