СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОГО ПРОКАТА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ Российский патент 2009 года по МПК C21D8/04 B21B1/46 C22C38/06 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячекатаного 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. Горячекатаные полосы с повышенной прочностью и высокой способностью к вытяжке в зависимости от класса прочности должны соответствовать определенному комплексу механических свойств, например, согласно требованиям европейского стандарта EN 10149 (таблица 1):

Таблица 1 Класс прочности* Марка Минимальный предел текучести (R_еH), Н/мм² Временное сопротивление (R_m), Н/мм² Минимальное относительное удлинение А, %     <3 мм L_c=80 мм >3 мм L_c=5,65√S₀ 315 S315MC 315 390-510 20 24 355 S355MC 355 430-550 19 23 420 S420MC 420 480-620 16 19 460 S460MC 460 520-670 14 17 500 S500MC 500 550-700 12 14 Примечание: *Класс прочности заложен в наименование марки по EN 10292-04. Числовое значение соответствует минимальному пределу текучести.

Известен способ производства горячекатаных полос из стали с содержанием углерода до 0,1 вес.%, в котором при горячей прокатке температуру конца прокатки принимают равной 860-890°С, душирование полос начинают через 7-9 с после конца прокатки, а температуру смотки принимают равной 640-700°С, при этом дрессировку полос для получения их матовой поверхности осуществляют в валках с высотой микронеровностей бочек Ra=2,2-2,7 мкм и для получения шероховатостей поверхности - с Ra=2,9-4,0 мкм [Патент РФ №2255990, МПК С21D 8/04, 10.07.2005 г.].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 315 до 500.

Известен способ производства горячекатаных полос из стали с содержанием углерода в пределах 0,01-0,1%, в котором при горячей прокатке температуру конца прокатки принимают равной 780-800°С, охлаждение до температуры смотки ведут со скоростью 9-13 град/с, травление ведут при 60-80°С, а дрессировку проводят с относительным обжатием 0,5-1,0% [Патент РФ №2164248, МПК С21D 8/04, С21D 9/46, 20.03.2001 г.].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств классов прочности от 315 до 500.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства горячекатаных полос, включающий выплавку сверхнизкоуглеродистой стали с примесями серы и азота, легированной титаном с содержанием элементов, удовлетворяющим соотношению Ti/(4·C+3,43·N+1,5·S)=1÷1,5, при котором горячую прокатку завершают при температуре 885-915°С, охлаждение ведут до температуры 685-715°С, затем полосы подвергают дрессировке с обжатием 0,8-1,2% [Патент РФ №2202630, МПК С21D 8/04, 20.04.2003 г.] - прототип.

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 315 до 500.

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

Технический результат достигается тем, что в способе производства горячекатаного проката повышенной прочности, включающем выплавку низколегированной стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую углерод 0,045-0,12%, кремний - не более 0,50%, марганец - 0,35-1,15%, алюминий - 0,01-0,09%, азот - не более 0,010%; ниобий и/или титан - 0,01-0,08% каждого, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 510-640°С. Сталь может дополнительно содержать ванадий в количестве 0,01-0,08%, а также кальций в количестве 0,0005-0,010%, при этом суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не должно превышать 0,117 мас.%.

Согласно изобретению содержание углерода, марганца и суммарное содержание ниобия, титана и ванадия связаны с требуемым классом прочности соотношениями:

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

[Mn] - содержание марганца в стали, %;

[Nb+Ti+V] - суммарное содержание ниобия, титана, ванадия, %;

0,0002, 0,002, 0,0022, 0,15, 0,013 - 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 0,045% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,12% приводит к снижению пластичности стали, что недопустимо.

Кремний в стали применен как раскислитель и легирующий элемент. При содержании кремния в стали более 0,50% резко снижается пластичность, имеет место охрупчивание стали.

Марганец обеспечивает получение заданных механических свойств. При содержании марганца менее 0,35% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,15% 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 0,09% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.

Азот упрочняет сталь. При содержании азота более 0,010% сталь становится склонной к старению.

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

Кальций применен в пределах 0,0005-0,010% как высокоактивный элемент для усиливающего раскисляющего действия алюминия и удаления из расплава в шлак фосфора, серы, кислорода, что приводит к изменению фазового состава и улучшения формы (глобулязации) оксидных включений, а также уменьшению их количества.

Горячая прокатка с температурами конца прокатки 830-880°С и смотки 510-640°С обеспечивает формирование оптимальной текстуры металла 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.

Экспериментально установлено, что верхний предел суммарного содержания ниобия, титана и ванадия ограничен значением 0,117%. При увеличении суммарного содержания [Nb+Ti+V] более 0,117% ухудшается пластичность проката из-за чрезмерного упрочнения стали.

Экспериментально установлено, что для получения требуемого класса прочности содержание углерода, марганца, а также суммарного содержания ниобия, титана и ванадия должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями: [С]=(0,0002·К_пр+0,002)±0,02, %; [Мn]=(0,0022·К_пр-0,15)±0,20, %; [Nb+Ti+V]=(0,0002·К_пр-0,013)±0,03, %.

Примеры реализации способа

В кислородном конвертере выплавляли 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 2,5-3,5 часов 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.

Таблица 2
Химический состав низколегированных сталей № состава Содержание элементов, мас.%   С Si Mn Al N Nb Ti V Са Fe и неизбежные примеси 1 0,03 0,03 0,30 0,05 0,006 0,004 0,003 0,003 0,0002 Ост. 2 0,045 0,003 0,35 0,05 0,005 0,010 0,005 0,005 0,0005 Ост. 3 0,07 0,20 0,70 0,01 0,005 0,030 0,010 0,005 0,005 Ост. 4 0,08 0,42 0,82 0,04 0,010 0,002 0,002 0,080 0,010 Ост. 5 0,09 0,45 0,93 0,05 0,006 0,003 0,080 0,013 0,0004 Ост. 6 0,12 0,50 1,15 0,09 0,005 0,080 0,025 0,010 0,0007 Ост. 7 0,13 0,55 1,20 0,05 0,011 0,085 0,015 0,025 0,011 Ост. 8 (прототип) 0,003 - - - 0,005 - 0,051 - - Ост. Примечание: состав №8 содержит серу в количестве 0,008 мас.%

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

Таблица3
Технологические параметры производства горячительного проката и показатели механических свойств № состава Температура конца прокатки Т_кп,°С Температура смотки Т_см, °С Предел текучести σ_т (R_eH), Н/мм² Предел прочности σ_в, (R_m), Н/мм² Относительное удлинение δ₈₀, (А), % 1 885 665 280 350 29 2 880 640 345 405 26 3 855 620 380 455 23 4 845 580 435 505 21 5 840 550 475 530 17 6 830 510 515 560 14 7 827 505 530 580 10 8 (прототип) 900 700 230-235 340-345 δ₁₀38

В таблицах 4-6 указано необходимое содержание углерода, марганца и [Nb+Ti+V] согласно зависимостям (1), (2), (3).

Таблица 4
Минимальное и максимальное содержание углерода, рассчитанное согласно зависимости [C]=(0,0002·K_пр+0,002)±0,02, % № состава Содержание С, мас.% Требуемый класс прочности К_пр Содержание С, мас.% согласно зависимости [С]=(0,0002·К_пр+0,002)±0,02, %       C_min C_max 1 0,03 315 0,045 0,085 2 0,045 315 0,045 0,085 3 0,07 355 0,053 0,093 4 0,08 420 0,066 0,106 5 0,09 460 0,074 0,114 6 0,12 500 0,082 0,122 7 0,13 500 0,082 0,122 8 (прототип) 0,03 315 0,045 0,085

Таблица 5
Минимальное и максимальное содержание марганца, рассчитанное согласно зависимости [Mn]=(0,0022·K_пр-0,15)±0,20, % № состава Содержание Мn, мас.% Требуемый класс прочности K_пр Содержание Мn, мас.% согласно зависимости [Мn]=(0,0022·К_пр-0,15)±0,20, %       Mn_min Mn_max 1 0,30 315 0,343 0,743 2 0,35 315 0,343 0,75 3 0,70 355 0,431 0,831 4 0,82 420 0,574 0,974 5 0,93 460 0,662 1,062 6 1,15 500 0,75 1,15 7 1,20 500 0,75 1,15 8 (прототип) - 315 0,343 0,743

Таблица 6
Минимальное и максимальное содержание [Nb+Ti+V], рассчитанное согласно зависимости [Nb+Ti+V]=(0,0002·K_пр-0,013)±0,03, % № состава Содержание [Nb+Ti+V], мас.% Требуемый класс прочности К_пр Содержание (Nb+Ti+V), мас.% согласно зависимости [Nb+Ti+V]=(0,0002·К_пр-0,013)±0,03, %       [Nb+Ti+V]_min [Nb+Ti+V]_max 1 0,01 315 0,02 0,08 2 0,02 315 0,02 0,08 3 0,045 355 0,028 0,088 4 0,084 420 0,041 0,101 5 0,096 460 0,049 0,109 6 0,015 500 0,057 0,117 7 0,125 500 0,057 0,117 8 (прототип) 0,051 315 0,02 0,08

Из таблиц 2-6 видно, что в случае реализации предложенного способа (составы №2-6) и выполнении зависимостей (1)-(3) достигаются механические свойства с классами прочности от 315 до 500. При запредельных значениях заявленных параметров (составы №1 и 7) и использовании способа-прототипа (состав №8) классы прочности от 315 до 500 не достигаются: для состава №1 классу прочности 315 не соответствует предел текучести и предел прочности; для состава №7 классу прочности 500 не соответствует относительное удлинение; для способа-прототипа (состав №8) классу прочности 315 не соответствует предел текучести и предел прочности.

Из проката изготавливали штамповкой высоконагруженные детали автомобиля, замечаний к штамповке у потребителя не было.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячекатаного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей автомобиля методом штамповки. Для повышения прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости и получения горячекатаного проката требуемого класса прочности производят выплавку стали, содержащей, мас.%: углерод 0,045-0,12, кремний не более 0,50, марганец 0,35-1,15, алюминий 0,01-0,09, азот не более 0,010, ниобий и/или титан - 0,01-0,08, железо и неизбежные примеси - остальное, разливку, горячую прокатку с температурой конца в диапазоне 830-880°С, охлаждение водой, смотку полос в рулоны в диапазоне 510-640°С. Сталь дополнительно содержит, мас.%: ванадий 0,01-0,08, кальций 0,0005-0,010, при этом суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не должно превышать 0,117 мас.%. 6 з.п. ф-лы, 6 табл.

1. Способ производства горячекатаного проката повышенной прочности, включающий выплавку низколегированной стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,045-0,12 кремний не более 0,50 марганец 0,35-1,15 алюминий 0,01-0,09 азот не более 0,010 ниобий и/или титан 0,01-0,08 каждого железо и неизбежные примеси остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сталь дополнительно содержит ванадий в количестве 0,01-0,08 мас.%.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не превышает 0,117 мас.%.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что сталь дополнительно содержит кальций в количестве 0,0005-0,010 мас.%.

5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[С]=(0,0002·К_пр+0,002)±0,02, мас.%,
где 0,0002 - эмпирический коэффициент, %;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,002 - эмпирический коэффициент, %.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание марганца связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[Мn]=(0,0022·К_пр-0,15)±0,20, мас.%,
где 0,0022 - эмпирический коэффициент, %;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому
минимальному пределу текучести;
0,15 - эмпирический коэффициент, %.

7. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что суммарное содержание ниобия, титана и ванадия связано с требуемым классом прочности зависимостью:
[Nb+Ti+V]=(0,0002·K_пр-0,013)±0,03, мас.%,
где 0,0002 - эмпирический коэффициент, %;
К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому
минимальному пределу текучести;
0,013 - эмпирический коэффициент, %.