СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОГО ПРОКАТА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ
MANUFACTURING METHOD OF COLD-ROLLED ROLLED IRON OF HEAVY-DUTY

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 094 (таблица 1):
Таблица 1
Стандарт
Класс прочности К<sub>пр</sub>*
Марка
Предел текучести R<sub>el</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
Временное сопротивление R<sub>m</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение А<sub>80</sub>, %, не менее
SEW 094
220
ZStE 220 Р
220-280
340-420
30
260
ZStE 260 Р
260-320
380-460
28
300
ZStE 300 Р
300-360
420-500
26
Примечание: * Класс прочности заложен в наименование марки. Числовое значение класса прочности соответствует минимальному пределу текучести.
Известен 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 С21D 8/04, опубл. 27.01.2003].
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 220 до 300.
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 220 до 300.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства холоднокатаной полосы из стали, содержащей, мас.%:
Углерод≤0,09
Марганец - 0,02-1,0
Кремний≤0,25
Алюминий - 0,02-0,08
Фосфор - 0,04-0,10
Сера≤0,025
Ванадий 0,005-0,05
Молибден 0,005-0,03
Железо и неизбежные примеси - остальное,
1
2
3
прокатывают в горячем состоянии, смотку в рулон производят при 500-600°С, холодную прокатку ведут с обжатием 60-80%. Рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи производят с окончательной выдержкой при 700-780°С с разными скоростями нагрева в три стадии: до 450°С со скоростью V=0,8-1,6 град/мин, в промежуточном интервале температур 450-560°С со скоростью V=0,05-0,08 град/мин, в диапазоне температур 560-700-780°С - со скоростью V=0,37-0,8 град/мин, после отжига осуществляют дрессировку [Патент РФ №1834723, МПК В21В 1/22, опубл. 15.08.1993 - прототип].
Недостаток известного способа состоит в том, что он обеспечивает получение проката с уровнем механических свойств классов прочности от 220 до 300 при больших производственных издержках, так как сталь легируют дорогостоящими элементами, такими как ванадий и молибден, а также используют энергоемкий высокотемпературный отжиг в колпаковых печах при 700-780°С.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении холоднокатаного проката повышенной прочности, предназначенного для холодной штамповки, при снижении производственных издержек и энергозатрат.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, получение проката требуемого класса прочности, а также снижение производственных издержек и энергозатрат. Снижение производственных издержек и энергозатрат заключается в оптимизации химического состава стали без применения дорогостоящих легирующих элементов, таких как ванадий и молибден, и использовании низкотемпературного отжига в колпаковых печах при температуре 600-700°С.
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 - 0,025-0,10%
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,
горячую прокатку проводят с температурой конца прокатки 825-890°С, смотку горячекатаных полос ведут при температуре 505-630°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 600-700°С с продолжительностью 7-20 часов, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%. Сталь дополнительно содержит 0,0008-0,0030 мас.% бора. Содержание углерода и фосфора связано с требуемым минимальным пределом текучести (классом прочности) следующими зависимостями:
где [С], [Р] - содержание углерода и фосфора в стали, %;
0,0005; 0,065; 0,05 - эмпирические коэффициенты, %;
пр
К - 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 0,025% 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.
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.
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.
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.
Горячая прокатка с температурами конца прокатки 825-890°С и смотки 505-630°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 7-20 часов 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 7 часов в колпаковых печах приводит к появлению в микроструктуре отдельных прерывистых строчек рекристаллизованных зерен, что ухудшает штампуемость проката. Увеличение времени выдержки более 20 часов неоправданно удлиняет отжиг.
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 не более 2,1% ограничена техническими возможностями дрессировочного стана.
Комплекс оптимизированного химического состава без использования дорогостоящих легирующих элементов, таких как ванадий и молибден, и низкотемпературного отжига при температуре 600-700°С приводит к снижению производственных издержек и энергозатрат при условии обеспечения высоких прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости и получении проката требуемого класса прочности.
пр
Экспериментально установлено, что для получения требуемого минимального предела текучести содержание углерода и фосфора должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями: [С]=(0,0005·К- 0,065)±0,02,%;
пр
[Р]=(0,0005·К- 0,05)±0,20,%.
Примеры реализации способа
В кислородном конвертере осуществляли выплавку стали, химический состав которых приведен в таблице 2.
Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы сечением 250×1280-1420 мм. Слябы нагревали в нагревательной печи с шагающими балками до температуры 1250°С в течение 2,5-3,5 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 соляно-кислотному травлению в непрерывном травильном агрегате. Затем травленые полосы прокатывали на 5-клетевом стане до толщины 1,0-1,8 мм. Холоднокатаные полосы отжигали в колпаковых печах с водородной защитной атмосферой. Отожженные полосы дрессировали с заданным обжатием.
В таблицах 3-4 приведены технологические параметры и механические свойства предложенного способа (плавки 2-4), способа при запредельных значениях заявленных параметров (плавки 1 и 5) и способа-прототипа (плавка 6).
Примеры реализации зависимостей (1)-(2) приведены в таблицах 5-6.
Из таблиц 2-6 видно, что в случае реализации предложенного способа (плавки 2-4) и зависимостей (1)-(2) достигаются механические свойства с классами прочности от 220 до 300. При запредельных значениях заявленных параметров (плавки 1 и 5) классы прочности от 220 до 300 не достигаются.
Из проката изготавливали штамповкой высоконагруженные детали автомобиля, такие как усилители корпуса и несущие детали рамы автомобиля; замечаний к штамповке у потребителя не было.
Таблица 2
Химический состав опытных плавок
№ варианта химсостава
Содержание элементов, мас.%
С
Si
Мn
Р
Аl
N
В
Fe и неизбежные примеси
1
0,020
0,03
0,35
0,030
0,01
0,004
0,0003
Остальное
2
0,025
0,06
0,41
0,040
0,01
0,005
0,0002
Остальное
3
0,060
0,15
0,55
0,068
0,04
0,006
0,0030
Остальное
4
0,100
0,30
0,70
0,120
0,08
0,009
0,0008
Остальное
5
0,110
0,35
0,75
0,125
0,09
0,010
0,0035
Остальное
6 (прототип)
0,05
0,02
0,20
0,052
0,04
0,008
-
Остальное
Примечание: Химсостав №6 дополнительно содержит V=0,01%, Мо=0,03%.
Таблица 3
Технологические параметры на прокатных переделах
№ варианта химсостава
Температура конца прокаткиТкп, °С
Температура смотки после горячей прокатки Тсм, °С
Температура рекристаллизационного отжига в колпаковых печах, °С
Время выдержки при отжиге
Степень обжатия при дрессировке, %
1
895
635
710
22 час
0,7
2
890
630
700
20 час
0,8
3
845
570
670
12 час
1,5
4
825
505
600
7 час
2,1
5
820
500
595
6,5 час
2,2
6 (прототип)
850
520
760
17 час
0,9
Таблица 4
Механические свойства опытных плавок
№ варианта химсостава
Предел текучести σ<sub>т</sub>(R<sub>el</sub>), Н/мм<sup>2</sup>
Предел прочностиσ<sub>в</sub> (R<sub>m</sub>),Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение δ<sub>80</sub>(А<sub>80</sub>),%
Достигнутый результат
1
210
330
37
Классу прочности 220 не соответствует предел текучести и предел прочности
2
240
360
33
Класс прочности 220
3
285
405
30
Класс прочности 260
4
340
445
28
Класс прочности 300
5
375
490
20
Классу прочности 300 не соответствует предел текучести и относительное удлинение
6 (прототип)
230-330
370-440
28-36
Класс прочности 220-300*
Примечание: * Недостатки способа-прототипа см. в описании изобретения.
Таблица 5
Содержание углерода в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно зависимости [С]=(0,0005·К<sub>пр </sub>- 0,065)±0,02, %
№ варианта химсостава
Содержание С (мас.%)
Требуемый класс прочности, К<sub>пр</sub>
Содержание С (мас.%) согласно зависимости [С]=(0,0005·К<sub>пр </sub>- 0,065)±0,02, %
Соответствие формуле изобретения
С<sub>min</sub>
С<sub>max</sub>
1
0,020
220
0,025
0,065
Не соответствует
2
0,025
220
0,025
0,065
Соответствует
3
0,060
260
0,045
0,085
Соответствует
4
0,100
300
0,065
0,105
Соответствует
5
0,110
300
0,065
0,105
Не соответствует
Таблица 6
Содержание фосфора в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно зависимости [Р]=(0,0005·К<sub>пр </sub>- 0,05)±0,20,%
№ варианта химсостава
Содержание Р (мас.%)
Требуемый класс прочности
Содержание Р (мас.%) согласно зависимости [Р]=(0,0005·К<sub>пр </sub>- 0,05)±0,20, %
Соответствие формуле изобретения
P<sub>min</sub>
Р<sub>mах</sub>
1
0,030
220
0,040
0,080
Не соответствует
2
0,040
220
0,040
0,080
Соответствует
3
0,068
260
0,060
0,100
Соответствует
4
0,120
300
0,080
0,120
Соответствует
5
0,125
300
0,080
0,120
Не соответствует