СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНЫХ ПОЛОС НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ 220
METHOD OF STRIP COLD-ROLLING FROM LOW-ALLOY STEEL OF STRENGTH CLASS 200

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при изготовлении холоднокатаных полос из стали класса прочности 220, обладающих повышенными вытяжными характеристиками и предназначенных для последующего изготовления кузовных деталей автомобилей штамповкой.
Известны способы производства низкоуглеродистых холоднокатаных полос из горячекатаного рулонного подката, включающие производство горячекатаного рулонного подката, удаление окалины с его поверхности травлением, последующие холодную прокатку на непрерывном стане, отжиг и дрессировку отожженной полосы (Патент РФ №2307173, Патент РФ №2312906, Патент РФ №2212468).
Недостатками известных способов являются сложность обеспечения в тонкой холоднокатаной полосе требуемого комплекса механических свойств, соответствующих классу прочности 220, а также невозможность безобрывной переработки горячекатаного полосового подката в качественную холоднокатаную металлопродукцию. Это связано с тем, что известные способы производства полос из низкоуглеродистой низколегированной стали не учитывают температурных условий горячей прокатки и смотки горячекатаной полосы в рулон, что затрудняет формирование заданной микроструктуры, а следовательно, и механических свойств по всей длине полосы на стадии горячей прокатки. Кроме того, не обеспечивается выкатываемость горячекатаного подката на заданную толщину на стадии холодной прокатки.
Известен также способ производства прокатной продукции из низколегированной стали, содержащей следующие компоненты, мас.%:
Углерод - 0,02-0,08
Марганец - 0,2-0,6
Кремний - 0,005-0,1
Медь - 0,01-0,1
Алюминий - 0,02-0,07
Бор - 0,001-0,05
Кальций - 0,0005-0,01
Азот - 0,001-0,006
Ванадий - 0,0005-0,003
Ниобий - 0,0005-0,003
Железо - остальное, с суммарным содержанием в стали ванадия и ниобия - 0,0055% (Патент РФ №2154123).
Недостаток известного способа заключается в наличии в химическом составе стали карбонитридообразующих элементов, что излишне увеличивает упрочнение проката на стадии горячей прокатки за счет сдерживания роста зерна в процессе рекристаллизации, а соответственно возникает технологическая сложность в обеспечении требуемых механических свойств, соответствующих классу прочности 220 в холоднокатаной полосе, предназначенной для последующей холодной штамповки.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ производства холоднокатаных полос толщиной 0,15-3,0 мм, полученных из горячекатаной травленой полосы из низколегированной стали, содержащей следующие компоненты, мас.%:
Углерод
0,06-0,10
Марганец
0,20-0,50
Кремний
0,01-0,30
Медь
0,01-0,30
Алюминий
0,02-0,07
Фосфор
0,07-0,12
Азот
0,003-0,009
Сера
0,005-0,025
Кальций
0,0005-0,001
Бор
0,0008-0,005
Хром
0,01-0,30
Никель
0,01-0,30
Титан
0,002-0,02
Железо и неизбежные примеси
остальное
(см. Патент РФ №2362815).
Недостаток известного способа заключается в сложности обеспечения в готовой холоднокатаной полосе соответствующего классу прочности 220 требуемого комплекса равномерно распределенных по длине полосы механических свойств. Это связано с избытком в структуре известной низколегированной стали достаточного количества упрочняющих фаз, формирование которых обусловлено дополнительным микролегированием, а также температурными режимами при горячей прокатке и смотке полосы в рулон. Формируемая при горячей прокатке микроструктура при последующей холодной прокатке полосы толщиной 0,7-3,0 мм на непрерывном стане при отсутствии регламентированного диапазона относительных суммарных обжатий при холодной прокатке приводит к возникновению трещин, многочисленных порывов, что, в свою очередь, не позволяет обеспечивать требуемое качество производимой холоднокатаной полосы на всей ее длине и существенно снижает выход годного при прокатке, а также затрудняется дальнейшая переработка такого проката в холодноштампованную продукцию.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является обеспечение соответствующего классу прочности 220 комплекса механических свойств по всей длине холоднокатаной полосы из низколегированной низкоуглеродистой стали при повышенном выходе годной продукции (более 95%).
Поставленная задача решается тем, что в известном способе производства холоднокатаных полос низколегированной стали класса прочности 220 толщиной 0,7-3,0 мм, включающем выплавку, разливку стали с получением кристаллизованного сляба, его горячую прокатку в клетях широкополосного стана с регламентированной температурой конца прокатки, с последующим охлаждением водой поверхности полосы и смотку ее в рулон, удаление окалины с поверхности полосы травлением, холодную прокатку на непрерывном стане, термообработку и дрессировку, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, медь, алюминий, фосфор, азот, серу, хром, никель, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,02-0,049
Марганец
0,20-0,35
Кремний
менее 0,04
Медь
0,01-0,08
Алюминий
0,03-0,07
Фосфор
0,04-0,07
Азот
0,003-0,007
Сера
менее 0,015
Хром
менее 0,06
Никель
менее 0,06
Железо
остальное,
горячую прокатку проводят с получением горячекатаной полосы толщиной по зависимости:
гк
где Н - толщина горячекатаной полосы, мм,
xк
h - конечная толщина холоднокатаной полосы, мм,
при этом температуру конца горячей прокатки принимают равной (840÷850)±15°С, температуру смотки горячекатаной полосы в рулон устанавливают 550±15°С.
в
в
80
90
90
2
2
Сущность заявляемого технического решения заключается в применении стратегии экономного легирования при минимальном содержании базовых элементов (углерода, марганца, кремния, фосфора, хрома и никеля) в сочетании с регламентацией температурных режимов горячей прокатки и смотки горячекатаной полосы в рулон, а также деформационного режима при холодной прокатке. Это в совокупности позволяет обеспечить повышение выхода годной холоднокатаной металлопродукции с требуемым по всей длине полосы уровнем механических свойств, соответствующих классу прочности 220, в частности, предел текучести σ≥220-260 Н/мм, временное сопротивление разрыву σ≥340 Н/мм, относительное удлинения δ>30%, показатель деформационного упрочнения n≥0,18, коэффициент нормальной пластической анизотропии R≥1,7.
В заявленном способе границы и диапазон содержания основных химических элементов определены из соображений обеспечения максимально возможного упрочнения ферритной матрицы для заявленного класса прочности проката, при одновременном повышении его пластических свойств, что позволит обеспечить заданный уровень выкатываемости и штампуемости. Поэтому из химического состава стали исключены карбонитридообразующие элементы. Заявленный диапазон содержания углерода (0,02÷0,049%), в сочетании с марганцем (0,20÷0,35%) способствуют формированию ферритной структуры стали, обеспечивающей высокие значения предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения. При этом дальнейшее повышение содержания углерода ухудшает формуемость проката в холодном состоянии. Принятый уровень содержания кремния (менее 0,04%) в совокупности с низким содержанием серы (менее 0,015%) обеспечивают необходимую чистоту стали по неметаллическим включениям. Алюминий вводится в качестве раскислителя, который связывает азот в нитриды, с целью упрочнения стали. Границы содержания алюминия и азота выбраны из необходимости поддержания их соотношения 1/10. Отклонение от указанных диапазонов алюминия (0,03-0,07) и азота (0,003-0,007) в нижнюю сторону может вызвать значительное укрупнение зерна и, как следствие, снижение прочностных характеристик проката; при отклонении в верхнюю сторону может быть запущен механизм деформационного старения, что приведет к излишнему упрочнению. Введение в сталь минимального количества никеля и хрома (менее 0,06% каждого) позволяет исключить повышенное упрочнение проката при одновременном снижении склонности стали к возможному трещинообразованию при холодной деформационной обработке. Введение фосфора (0,04-0,07%), как и в известных решениях, способствует улучшению пластических свойств стали при холодной прокатке и штамповке. В то же время при отсутствии дополнительного микролегирования карбонитридообразующими элементами фосфор позволяет дополнительно упрочнить ферритную матрицу.
т
в
80
Температурные режимы горячей прокатки выбраны из следующего. Для обеспечения требуемого комплекса механических свойств по всей длине горячекатаного подката, предназначенного для дальнейшего производства холоднокатаной полосы, соответствующей классу прочности 220, необходимо на стадии горячей прокатки сформировать структуру с мелким зерном полигонизованного феррита и дисперсными выделениями нитридов, что обеспечивает повышение прочностных свойств (при оптимальном соотношении предела текучести к пределу прочности σ/σ<0,70÷0,75), с одной стороны, и улучшает пластические свойства (δ), с другой.
с3
Как известно, величина и форма аустенитного зерна зависят от скорости рекристаллизации при прокатке. Поэтому получение требуемого комплекса механических свойств для обеспечения повышенной штампуемости металлопроката из низколегированной стали класса прочности 220 без применения микролегирования должно достигаться формированием мелкозернистой структуры феррита, одним из главных условий получения которой является наличие мелкозернистой структуры аустенита. Она, в свою очередь, может быть получена при определенных температурах прокатываемого металла, что соответствует окончанию горячей прокатки в аустенитной области при температуре, близкой к температуре аустенитного превращения. Для этого температуру конца прокатки необходимо принимать равной или близкой к точке А диаграммы «железо-углерод», так как в полосах из низколегированных сталей заявляемого химического состава интенсивная рекристаллизация начинается при температурах 825-865°С. Особенно важно соблюдение этих условий в конце горячей прокатки полос толщиной <25 мм (см. Регламентированная горячая прокатка полос на непрерывных станах. Tomczykiewicz Jan, Wegrzyn Aleksander. Regulowane walcowanie blach w garacej walcowni ciaglej. «Prz. now. hutn. ze-laza», 1976, 4, №2, 63-67).
Из этих условий выбран в заявляемом способе интервал температур конца прокатки, так как именно в указанном диапазоне (840÷850)±15°С обеспечивается получение требуемой микроструктуры. Кроме того, границы температур конца прокатки в зависимости от толщины горячекатаной полосы определены из условия: чем толще полоса, тем большей теплоемкостью она обладает. Соответственно, для выравнивания свойств и формирования равнобалльной микроструктуры с зерном 8-10 баллов в готовой горячекатаной полосе температурный интервал конца горячей прокатки на меньших толщинах смещен к более высоким температурам.
Указанными обстоятельствами также определяется заявляемый температурный интервал смотки горячекатаной полосы в рулон в диапазоне 550±15°С. Температура смотки для выбранного класса сталей должна быть максимально приближена к такой, чтобы обеспечивать скорость охлаждения на отводящем рольганге стана горячей прокатки для более полной стабилизации углерода, что позволяет получать относительно низкие значения предела текучести и отсутствие площадки текучести у горячекатаного подката (см. Black W., Bode R., Hahn P. Interstitial-free Steels: Processing, Properties and Application. In: Metallurgy of Vacuum-Degassed Steel Products, 1990, pp.73-90).
т
в
Кроме того, при отсутствии заявляемой регламентации температурных режимов конца прокатки и смотки в зависимости в микроструктуре стали при заниженных температурах конца прокатки и смотки (меньше нижней заявляемой границы температуры для соответствующих толщин) может появиться значительная разнобалльность в структуре (более трех смежных значений). С другой стороны, при температурах конца прокатки и смотки выше заявляемой в микроструктуре формируется крупное зерно (крупнее 8 балла), снижается общая прочность, при этом также снижается и пластичность, а предел текучести практически не изменяется, что ведет к росту показателя σ/σ, т.е. снижению штампуемости. Это приводит к тому, что в процессе дальнейшей переработки горячекатаного подката в холоднокатаную металлопродукцию возникает проблема выкатываемости полосы на требуемую толщину. Кроме того, появляются технологические сложности переработки полосы из-за многочисленных порывов в процессе холодной прокатки из-за образования микротрещин, в том числе, по кромкам полосы, что существенно снижает выход годной металлопродукции.
т
в
80
2
2
В случае применения заявленной регламентации температурного режима проведения процесса горячей прокатки и смотки формируется микроструктура с зерном феррита 8-10 баллов, что, с точки зрения способности металла к дальнейшей переработки путем холодной прокатки и последующей глубокой вытяжки, является наиболее оптимальным. Предел текучести σ при этом в низколегированной низкоуглеродистой стали без микролегирования карбонитридообразующими элементами в холоднокатаном состоянии достигает уровня более 220 Н/мм, временное сопротивление разрыву σ≥340 Н/мм, относительное удлинение (δ) - не менее 30%, что соответствует классу прочности стального проката 220. Это позволяет в процессе переработки горячекатаного подката в холоднокатаную и далее в холодноштампованную продукцию за счет оптимальной микроструктуры по всему сечению и длине полосы, исключения образования трещин по кромкам полосы, а также ее обрывности, существенно повышается выход годного.
Приведенная математическая зависимость, связывающая толщину горячекатаной полосы с конечной толщиной холоднокатаной полосы, - эмпирическая и получена при обработке опытных данных при прокатке заявляемого размерно-марочного сортамента на широкополосном стане 2000 горячей прокатки и непрерывном четырехклетевом стане 2500 холодной прокатки ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Данная зависимость позволяет обеспечить высокую выкатываемость горячекатаного подката в холоднокатаную полосу заданной конечной толщины без образования микротрещин и порывов, а также оптимальные энерго-силовые параметры прокатного оборудования.
Таким образом, представленная совокупность признаков заявляемого способа производства холоднокатаных полос толщиной 0,7-3,0 мм из низколегированной низкоуглеродистой стали класса прочности 220 позволяет производить высококачественную металлопродукцию с требуемыми равными по всей длине готовой полосы механическими свойствами, при этом обеспечивается повышение выхода годного холоднокатаного проката.
Пример осуществления способа.
гк
xк
т
в
80
90
90
Выплавили кислородно-конвертерным методом 2 плавки стали заявленного химического состава (см. табл.1). После проведения внепечной обработки металла и введения требуемых добавок осуществляли непрерывную разливку стали с последующей ее кристаллизацией и порезкой на слябы. Далее производили горячую прокатку слябов на полосы требуемой толщины, которую в зависимости от конечной толщины холоднокатаной полосы определяли из выражения: , где Н - толщина горячекатаной полосы, мм, h - конечная толщина холоднокатаной полосы, мм. Затем горячекатаные полосы подвергали солянокислому травлению в линии НТА холодной прокатке на непрерывном прокатном стане с регламентированным суммарным относительным обжатием, рекристаллизационному отжигу в колпаковых печах и дрессировке с обжатием в пределах 1%. Испытанием на растяжение определяли основные механические свойства холоднокатаной полосы по ее длине: предел текучести σ, временное сопротивление разрыву σ, относительное удлинение δ, показатель деформационного упрочнения n, коэффициент нормальной пластической анизотропии R. Для чего образцы для испытаний отбирались с переднего и заднего концов рулона, а также в зоне сварного шва (серединная часть полосы по ее длине). Выход годного оценивался по отсутствию порывов и микротрещин на поверхности полосы в процессе холодной прокатки.
Варианты технологических параметров, по которым по заявляемому способу осуществлялись горячая и последующая холодная прокатки полос конечной толщиной 0,7-3,0 мм из стали класса прочности 220 на широкополосном стане горячей прокатки 2000 и непрерывном четырехклетевом стане холодной прокатки 2500 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», а также результаты исследований представлены в таблице 2.
т
в
80
90
90
2
2
Заявляемая технология производства рулонов на примере производства холоднокатаных полос из низколегированной стали класса прочности 220 обеспечивает получение следующих механических свойств:: σ=220-260 Н/мм, σ=340-375 Н/мм, δ>30%, показатель деформационного упрочнения n≥0,18, коэффициент нормальной пластической анизотропии R=1,7-2,4, что соответствует требованиям к сталям класса прочности 220.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.
Заявляемый способ может найти широкое применение при производстве холоднокатаной рулонной металлопродукции класса прочности 220 для последующей штамповки кузовных деталей автомобиля.