Способ производства высокопрочного горячекатаного проката Российский патент 2023 года по МПК C21D8/04 C21D9/46 C22C38/42 C22C38/44 C22C38/46 C22C38/48 C22C38/54 C22C38/58 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к способу производства высокопрочного горячекатаного проката из низколегированной стали, предназначенной для изготовления деталей автомобиля методом штамповки.

Известно изделие, выполненное из стали содержащей компоненты в следующем соотношении: углерод <0,15%, кремний <0,5%, марганец 0,5-2,0%, фосфор <0,06, алюминий <0,1%, азот не более 0,06%, титан 0,02-0,10%, молибден 0,05-0,6%, сера не более 0,005%, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом содержание титана, ниобия, ванадия регулируется соотношением 0,25 ≤ Mo/(Ti + Nb + V + Mo), горячую прокатку проводят при температуре точки превращения Ar3 или выше 880°С, смотка горячекатаного стального листа проводится при температуре от 550 до 700°С [EP1338665 B1].

Недостатком данного технического решения является использование высоких температур прокатки, что негативно сказывается на хладостойкости проката.

Известен горячекатаный стальной лист и способ его изготовления, при этом лист изготовлен из стали, содержащей, мас.%: 0,040≤С<0,065, 1,4≤Mn≤1,9, 0,1≤Si≤0,55, 0,095≤Ti≤0,145, 0,025≤Nb≤0,045, 0,005≤A1≤0,1, 0,002≤N≤0,007, S≤0,004, P<0,020, железо и неизбежные примеси - остальное. Микроструктура листа состоит из зернистого бейнита, феррита, цементита, карбонитридов титана и ниобия. Отношение размера DL зерна, измеренного параллельно направлению прокатки, и размера DN зерна, измеренного перпендикулярно направлению прокатки, менее или равно 1,4. Способ изготовления листа включает нагрев полуфабриката до 1160-1300°С, горячую прокатку с температурой конца прокатки 880-930°С. При этом степень обжатия предпоследнего прохода - менее 0,25, степень обжатия последнего прохода - менее 0,15, а сумма двух степеней обжатия - менее 0,37. Начальная температура в предпоследнем проходе менее 960°С. Охлаждение осуществляют со скоростью 50-150°С/с. Намотку листа осуществляют при температуре намотки 470-625°С [Патент RU 2551727, МПК C22C38/14, C21D8/04, C22C38/54, 2015].

Недостатком данного технического решения является наличие многофазной структуры, что неблагоприятно сказывается на формуемости проката.

Технический результат изобретения - повышение потребительских свойств проката за счет получения высокопрочной стали, обладающей повышенными показателями хладостойкости, усталостной выносливости и высокой способностью к раздаче отверстия, как результата улучшенной технологичностью при профилировании и формовке деталей и отсутствие концентраторов напряжений, которые могут приводить к преждевременному выходу из строя и снижению долговечности.

Технический результат достигается тем, что в способе производства высокопрочного горячекатаного проката, включающем получение стальной заготовки, ее аустенизацию, прокатку, смотку, согласно изобретению заготовку получают из стали со следующим соотношением элементов, мас.%:

Углерод 0,03 - 0,10 Кремний 0,05 - 0,35 Марганец 1,0 - 1,70 Сера не более 0,010 Фосфор не более 0,015 Хром не более 0,5 Никель не более 0,5 Медь не более 0,50 Алюминий 0,02 - 0,08 Титан 0,01 - 0,2 Молибден 0,01 - 0,30 Ванадий не более 0,15 Ниобий не более 0,15 Азот не более 0,010 Бор не более 0,002

при необходимости

Кальций не более 0,005 Железо и неизбежные примеси остальное,

при этом аустенизацию заготовки осуществляют до температуры 1150 - 1300°С, черновую прокатку начинают при температуре 1100 - 1220 °С, чистовую прокатку начинают при температуре 950 - 1150°С, а заканчивают при температуре 800 - 900°С, после этого производят смотку проката в рулон при температуре 550 - 700°С, при этом прокат имеет микроструктуру, состоящую из феррита в количестве не менее 95% и характеризуется баллом неметаллических включений не более 2,5 по среднему и не более 3 по максимальному значению.

Прокат соответствует следующим характеристикам:

Предел текучести - 600-700 МПа,

Предел прочности - 650 - 770 МПа,

Относительное удлинение - не менее 16 %,

Усталостная прочность - не менее 340 МПа,

Коэффициент раздачи отверстия - не менее 70 %,

Ударная вязкость KCU (Дж/см²) при минус 40°С - не менее 39 Дж/см².

Сущность изобретения.

Углерод один из основных упрочняющих элементов. При содержании углерода менее 0,03% прочностные свойства получаются ниже допустимого уровня, а увеличение концентрации углерода выше 0,10 % приводит к увеличению прочностных характеристик, но при этом сильно снижается пластичность металла. Также углерод формирует карбидную фазу, обеспечивающую упрочнение стального проката.

Азот упрочняет сталь и формирует нитрид титана. При увеличении содержания азота более 0,010 % происходит снижение эффективности микролегирования титаном и сталь становится склонной к разрушению, уменьшается выход годного проката.

Титан обеспечивает формирование комплексного карбида TiMoC приводящего к измельчению зерна и упрочнению стального проката. При содержании титана менее 0,01% снижается прочность стали. Увеличение содержания титана более 0,2% приводит к снижению пластичности стали.

Молибден обеспечивает торможение промежуточных превращений и обеспечивает формирование комплексного упрочняющего крабида. Добавки молибдена придают стали мелкозернистую структуру, повышают прочность при равных показателях пластичности. Молибден в количестве менее 0,01% не оказывает значительного влияния на свойства, а его содержание более 0,30% уже значительно повышает стоимость стали, что экономически нецелесообразно.

Содержание элементов углерода, азота, титана, молибдена выбирается по стехиометрическому соотношению в интервале 1,0<(С/12)/((Ti/48-N/14)+Mo/96)<1,4. При отклонении за нижнюю границу снижается эффективность упрочнения, при отклонении за верхнюю границу начинается формирования второй структурной составляющей приводящей к снижению коэффициента раздачи отверстия и усталостной выносливости.

Добавка кремния необходима для раскисления стали при выплавке. Для обеспечения необходимого уровня раскисленности его содержание должно быть не менее 0,05%, но не более 0,35% для ограничения количества силикатных включений, ухудшающих ударную вязкость и трещиностойкость.

Марганец повышает степень насыщения феррита растворенными элементами, участвующими в механизме дисперсионного твердения. Для его рационального использования содержание марганца должно быть не менее 1,0%. При содержании марганца более 1,70% снижается ударная вязкость стали.

Сера является вредной примесью, и ее содержание должно быть сведено к минимуму. При содержании серы более 0,010% в стали образуются сульфидные включения, значительно снижающие пластичность.

Фосфор относится к числу элементов, обладающих наибольшей склонностью к ликвации и образованию сегрегаций по границам зерен, и, как следствие, отрицательно влияющих на ударную вязкость стали, поэтому верхний предел содержания фосфора устанавливают не более 0,015%.

Комплексное легирование хромом, никелю и медью в заявленных диапазонах способствуют повышению прочностных характеристик и хладостойкости стали. Введение меди приводит к образованию по поверхности листа защитной пленки, которая препятствует проникновению в сталь водорода, за счет чего возрастает стойкость проката к водородному охрупчиванию.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь, связывает азот в нитриды. Для снижения содержания кислорода в расплавленной стали необходимо добавлять не менее 0,02% алюминия. При его содержании более 0,08% снижаются вязкопластические свойства стали.

Введение ниобия и ванадия в сталь способствует формированию мелкозернистой структуры, что повышает вязкость и прочность стали. Увеличение содержания ниобия и ванадия более заявляемых диапазонов не приводит к дальнейшему улучшению механических свойств стали, а лишь увеличивает затраты на легирующие материалы.

Для повышения низкотемпературной ударной вязкости, добавляют бор в количестве не более 0,005%. Большее его содержание может привести к образованию охрупчивающих частиц.

Кальций вводят для модификации неметаллических включений на основе оксидов алюминия и магния. Содержание кальция выше 0,005% приведет к образованию большого количества включений - алюминатов кальция, что также отрицательно отразится на хладостойкости.

Температура аустенитизации в интервале 1150-130°С должна обеспечить полное растворение карбидной фазы и последующее формирование комплексного карбида TiMoC. Выбор температуры нагрева определяется содержанием углерода и титана в стали.

Черновую прокатку начинают при температуре 1100 - 1220 °С, что позволяет обеспечить требуемый размер аустенитного зерна перед чистовой прокаткой.

Начало чистовой прокатки проводят при температуре 950 - 1150°С, а заканчивают при температуре 800 - 900°C. Температура начала чистовой прокатки в данном диапазоне необходима для более интенсивного измельчения зерна аустенита. При температуре начала чистовой прокатки более 1150°С и конца чистовой прокатки более 900 °С происходит рост аустенитных зерен, что снижает комплекс механических свойств. При температурах начала и конца чистовой прокатки ниже 950°С и 800°С, соответственно, происходит «подстуживание» проката, что может приводить к неравномерной микроструктуре проката и высокой анизотропии свойств.

Температура окончания прокатки должна находится ниже точки Ar3, что обеспечивает формирование текстуры деформации позволяющей получить высокую хладостойкость.

Температура смотки обеспечивает формирование комплексного карбида TiMoC в интервале фазового превращения по межфазному механизму, что обеспечивет высокое упрочнение стали. Смотку проводят при температуре 550-700°С. Температура смотки выше 700 °С приведёт к значительному снижению скорости охлаждения и увеличению зерна феррита, что в свою очередь приведёт к снижению прочностных характеристик и неудовлетворительному качеству металлопроката. Температура смотки ниже 550 °С приведёт к увеличению скорости охлаждения полосы, что в свою очередь увеличивает риск получения структур закалочного типа.

Микроструктура проката должна состоять из феррита в количестве не менее 95%. Указанное содержание феррита в структуре стали позволяет достигнуть требуемого уровня механических и эксплуатационных свойств проката.

Обеспечение балла неметаллических включений в стали не более 2,5 по среднему и не более 3 по максимальному значению позволяет добиться улучшения комплекса механических свойств стали: предела прочности, текучести и удлинения.

Осуществление изобретения.

Осуществляли выплавку стали в кислородном конвертере и после внепечной обработки и вакуумирования производили непрерывную разливку в слябы сечением 250х1450 мм. Далее производили нагрев под прокатку до температур 1150 - 1300°С и осуществляли прокатку на конечную толщину (в частном случае на 8 мм) на непрерывном широкополосном стане 2000 горячей прокатки. Черновую прокатку осуществляли при температуре 1100 - 1220 °С, чистовую прокатку начинали при температуре 950 - 1150°С и заканчивали при температуре 800 - 900°С, после этого прокат охлаждали до температуры 550 - 700°С и производили его смотку в рулон.

Согласно заявленного способа было проведено 6 экспериментов. Химический состав приведен в таблице 1, технологические параметры приведены в таблице 2, механические свойства приведены в таблице 3.

Были испытаны на растяжение цилиндрические образцы по ГОСТ 1497 с расчетной длинной L=5.65√F_{0 ,} отобранные поперек направления проката и образцы на ударную вязкость по ГОСТ 9454 с U-образным концентратором, отобранные вдоль направления проката.

Как видно из результатов экспериментов, прокат произведенный по предложенной технологии характеризовался требуемым уровнем механических свойств: пределами текучести, прочности, относительным удлинением, усталостной прочности, коэффициентом раздачи отверстия и ударной вязкостью. Изготовленные из заявленного проката изделия для автомобильной промышленности характеризовались высокими эксплуатационными свойствами.

Таблица 1
Химический состав проката^* № эксперимента C, % Mn, % Si, % Cu, % Ni, % Mo, % Cr, % Al, % Nb, % V, % Ti, % N, % B, % S, % P, % 1 0,04 1,23 0,15 0,03 0,07 0,159 0,03 0,04 0,003 0,005 0,11 0,005 0,0003 0,002 0,008 2 0,06 1,52 0,17 0,03 0,08 0,167 0,13 0,04 0,003 0,006 0,10 0,007 0,0014 0,002 0,008 3 0,04 1,52 0,16 0,12 0,2 0,10 0,03 0,04 0,020 0,006 0,12 0,007 0,0003 0,001 0,007 4 0,06 1,52 0,17 0,03 0,15 0,167 0,03 0,04 0,003 0,015 0,10 0,007 0,0004 0,002 0,008 5 0,06 1,54 0,25 0,031 0,051 0,210 0,06 0,06 0,003 0,005 0,11 0,006 0,0004 0,002 0,0073 6 0,044 1,60 0,15 0,052 0,09 0,197 0,04 0,04 0,003 0,005 0,16 0,007 0,0003 0,003 0,0074

* - содержание кальция в экспериментах №№ 1,3,4 составляло 0,001 мас.%., в остальных не определялся

Таблица 2
Контролируемые технологические параметры № эксперимента Т нагрева под прокатку, °С Т начала черновой прокатки, °С Т начала чистовой прокатки, °С Т конца чистовой прокатки, °С Т смотки, °С Балл неметаллических включений,
сред./мах. Содержание феррита в микроструктуре, % 1 1210 1180 1010 880 613 2,5/3 97 2 1240 1209 995 860 570 2,5/3 98 3 1246 1200 990 850 640 2,5/3 98 4 1257 1210 984 870 680 2,5/3 97 5 1270 1215 1100 890 690 2,5/3 96 6 1220 1220 980 863 690 2,5/3 96

Таблица 3 № эксперимента Предел прочности, σв, Н/мм² Предел текучести, σт, Н/мм² Относителное удлинение, δ5, % Ударная вязкость KCU при минус 40 °С, Дж/см² Усталостная прочность, МПа Коэффициент раздачи отверстия, % 1 720 650 19,5 300/345/318 380 92 2 720 670 20 223/285/277 373 92 3 710 675 21 201/207/270 370 95 4 710 630 19 200/190/195 369 91 5 700 650 18 140/145/143 371 91 6 680 630 21 217/215/225 350 95

Изобретение относится к металлургии, а именно к способу производства высокопрочного горячекатаного проката из низколегированной стали, предназначенной для изготовления деталей автомобиля методом штамповки. Способ производства высокопрочного горячекатаного проката включает получение стальной заготовки, ее аустенизацию, прокатку, смотку. Получают заготовку из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,03-0,10, кремний 0,05-0,35, марганец 1,0-1,70, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015, хром не более 0,5, никель не более 0,5, медь не более 0,50, алюминий 0,02-0,08, титан 0,01-0,2, молибден 0,01-0,30, ванадий не более 0,15, ниобий не более 0,15, азот не более 0,010, бор не более 0,002, при необходимости кальций не более 0,005, железо и неизбежные примеси – остальное. Аустенизацию заготовки осуществляют до температуры 1150-1300°С, черновую прокатку начинают при температуре 1100-1220°С, чистовую прокатку начинают при температуре 950-1150°С, а заканчивают при температуре 800-900°С, после этого производят смотку проката в рулон при температуре 550-700°С, при этом прокат имеет микроструктуру, состоящую из феррита в количестве не менее 95% и характеризуется баллом неметаллических включений не более 2,5 по среднему и не более 3 по максимальному значению. Прокат характеризуется высокими показателями хладостойкости, усталостной выносливости и высокой способности к раздаче отверстия, а также технологичностью при профилировании и формовке деталей. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ производства высокопрочного горячекатаного проката, включающий получение стальной заготовки, ее аустенизацию, прокатку, смотку, отличающийся тем, что заготовку получают из стали со следующим соотношением элементов, мас.%:

Углерод 0,03-0,10 Кремний 0,05-0,35 Марганец 1,0-1,70 Сера не более 0,010 Фосфор не более 0,015 Хром не более 0,5 Никель не более 0,5 Медь не более 0,50 Алюминий 0,02-0,08 Титан 0,01-0,2 Молибден 0,01-0,30 Ванадий не более 0,15 Ниобий не более 0,15 Азо не более 0,010 Бор не более 0,002 при необходимости Кальций не более 0,005 Железо и неизбежные примеси остальное,

при этом аустенизацию заготовки осуществляют до температуры 1150-1300°С, черновую прокатку начинают при температуре 1100-1220°С, чистовую прокатку начинают при температуре 950-1150°С, а заканчивают при температуре 800-900°С, после этого производят смотку проката в рулон при температуре 550-700°С, при этом прокат имеет микроструктуру, состоящую из феррита в количестве не менее 95% и характеризуется баллом неметаллических включений не более 2,5 по среднему и не более 3 по максимальному значению.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прокат соответствует следующим характеристикам:

Предел текучести 600-700 МПа Предел прочности 650-770 МПа Относительное удлинение не менее 16% Усталостная прочность не менее 340 МПа Коэффициент раздачи отверстия не менее 70 % Ударная вязкость KCU (Дж/см²) при минус 40°С не менее 39 Дж/см²