СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОЙ СТАЛИ
METHOD TO PRODUCE SHEET STEEL

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к листопрокатному производству, и может быть использовано при получении высокопрочных холоднокатаных листов для глубокой вытяжки.
Известен способ производства листовой стали, используемой для изготовления деталей кузова автомобиля методом глубокой вытяжки. Способ включает изготовление горячекатаной полосы из стали марки 08Ю по ГОСТ 9045-93 следующего химического состава, мас.%:
Углерод не более
0,07
Марганец
0,20-0,35
Алюминий
0,02-0,07
Кремний не более
0,04
Медь не более
0,06
Сера не более
0,025
Фосфор не более
0,020
Железо
Остальное.
Горячекатаную полосу подвергают травлению, холодной прокатке до конечной толщины и термической обработке - рекристаллизационному отжигу при температуре 720°C в колпаковой садочной печи [1].
Недостаток известного способа состоит в том, что отожженная листовая сталь имеет низкие прочностные свойства, что требует увеличения толщины изделий, получаемых из листа глубокой вытяжкой.
Известен также способ производства листовой стали, включающий получение горячекатаной полосы из стали следующего состава, мас.%:
Углерод
не более 0,02
Кремний
не более 0,5
Марганец
не более 2,5
Алюминий
1-5
Фосфор не более
0,10
Сера не более
0,05
Азот не более
0,03
Цирконий
0,01-0,040
Железо
Остальное.
Горячекатаную полосу подвергают травлению, холодной прокатке и рекристаллизационному отжигу [2].
Недостатки известного способа состоят в том, что листовая сталь имеет низкие пластические и прочностные свойства.
Ближайшим аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства высокопрочных стальных листов, способных к глубокой вытяжке. Способ включает изготовление горячекатаной полосы из стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод не более
0,10
Кремний не более
0,06
Марганец не более
0,5
Фосфор менее
0,08
Сера менее
0,03
Алюминий менее
0,15
Железо
Остальное.
Горячекатаные полосы подвергают травлению, холодной прокатке с суммарным относительным обжатием 80-95%, термической обработке - рекристаллизационному отжигу [3].
Недостаток известного способа состоит в том, что листовая сталь в отожженном состоянии не обладает одновременно высокими прочностными и пластическими свойствами.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в одновременном повышении прочностных и пластических свойств.
Для решения технической задачи в известном способе производства листовой стали, включающем изготовление горячекатаной полосы, травление, холодную прокатку и термическую обработку, согласно изобретению термическую обработку проводят путем нагрева до температуры 710-850°C с последующим охлаждением со скоростью 60-80°C/с, повторного нагрева до температуры 260-350°C и выдержкой не менее 20 с. Кроме того, что горячекатаная полоса может быть изготовлена из стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,06-0,11
Марганец
0,4-3,5
Кремний
0,001-0,03
Хром
0,01-0,49
Алюминий
0,01-0,05
Азот
0,001-0,012
Никель
не более 0,01
Медь
не более 0,
Железо
Остальное.
Сущность изобретения состоит в следующем. Для одновременного обеспечения высоких прочностных и пластических свойств в листовой стали необходимо сформировать ферритную матрицу, способную к глубокой вытяжке без образования разрывов, и равномерно распределенные по ее объему мелкодисперсные частицы мартенсита, которые, затормаживают движение дислокаций и повышают тем самым прочность стали.
Нагрев холоднокатаной стали до температуры 710-850°C переводит ее в двухфазное аустенитно-ферритное состояние, причем включения аустенита равномерно распределены в ферритной матрице. Последующее охлаждение со скоростью 60-80°C/с, как показали эксперименты, приводит к переохлаждению аустенитной фазы, которая претерпевает аллотропное превращение в мартенсит с реечной морфологией. Ферритная фаза после термической обработки сохраняется. Повторный нагрев до температуры 260-350°C и выдержка при этой температуре в течение не менее 20 с обеспечивает низкий отпуск мартенсита, снятие термических и фазовых напряжений, а также разупрочнение быстроохлажденного (закаленного) феррита, что повышает его пластичность. Полученный композиционный двухфазный ферритно-мартенситный листовой материал сочетает высокие прочностные и пластические свойства.
Экспериментально установлено, что при нагреве холоднокатаной листовой стали ниже 710°C количества остаточного аустенита, который трансформируется в мартенсит, недостаточно для упрочнения, сталь имеет низкую прочность. Увеличение температуры нагрева выше 850°C приводит к росту зерен микроструктуры стали, снижению прочности и пластичности.
Охлаждение со скоростью менее 60°C/с уменьшает количество мартенситных включений, приводит к появлению в стали нежелательной перлитной фазы, снижению прочности и пластичности. Увеличение скорости охлаждения более 80°C/с приводит к формированию игольчатого феррита (феррита закалки), снижению пластических свойств листовой стали.
При температуре повторного нагрева ниже 260°C или выдержки менее 20 с процессы низкого отпуска не завершаются, листовая сталь имеет недостаточную пластичность. Увеличение температуры повторного нагрева сверх 350°C приводит к снижению прочности, что недопустимо.
Наиболее высокое сочетание прочностных и пластических свойств, как показали исследования авторов, имеет место при содержании в холоднокатаной листовой стали доли мартенситной фазы в 18-22%, распределенной по объему феррита. Такая доля мартенситной фазы гарантированно достигается в случае использования горячекатаных полос из стали предложенного состава.
Углерод является упрочняющим элементом. При содержании углерода менее 0,06% снижается прочность термообработанной стали, а при содержании более 0,11% падает ее пластичность.
Марганец, помимо раскисления стали, способствует ее аустенитизации при нагреве до 710-850°C, а также упрочняет ферритную матрицу. При содержании марганца менее 0,4% в процессе охлаждения в холоднокатаной стали формируется пластинчатый перлит, ее прочность и пластичность снижаются. Увеличение содержания марганца более 3,5% приводит к переупрочнению стали и потере пластических свойств.
При содержании кремния менее 0,001% сталь после отпуска имеет недостаточную прочность. Увеличение содержания кремния более 0,03% приводит к увеличению в ней неметаллических включений, снижению пластичности.
Хром, связывая углерод в карбиды, упрочняет сталь. При содержании хрома менее 0,01% прочность холоднокатаной листовой стали недостаточна. Увеличение содержания хрома более 0,49% приводит к снижению пластичности.
Алюминий стабилизирует сталь, что исключает ее старение. При содержании алюминия менее 0,01% или более 0,05% снижается пластичность стали данного химического состава.
Азот, образуя нитриды, повышает прочность. Снижение концентрации азота менее 0,001% приводит к снижению прочности стали и резко удорожает ее производство. Увеличение содержания азота более 0,012% способствует старению листовой стали, т.е. деградации ее свойств: снижению пластичности и увеличению прочности, что недопустимо.
Никель и медь упрочняют сталь, и в количестве не более 0,1% каждого из них не приводят к ухудшению пластичности. Увеличение содержания никеля более 0,1% или меди более 0,1% снижает пластические свойства данной стали после ее нагрева, ускоренного охлаждения и низкого отпуска.
Примеры реализации способа
Пример 1.
Слябы из стали марки 08Ю имеют следующий химический состав, мас.%:
C
Mn
Al
Si
Cu
S
P
Fe
0,05
0,25
0,04
0,03
0,05
0,012
0,010
Остальное
Слябы нагревают до температуры 1250°C и прокатывают на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 3,7 мм с температурой конца прокатки 830°C, подвергают ускоренному охлаждению водой до температуры 620°C и сматывают в рулоны.
Горячекатаные полосы подвергают солянокислотному травлению для удаления окалины в линии непрерывного травильного агрегата. Затем травленые полосы подвергают холодной прокатке на непрерывном 5-клетевом стане кварто 1700 до конечной толщины h=0,7 мм.
з
пн
Очередную холоднокатаную полосу, смотанную в рулон, устанавливают на разматывателе непрерывного (проходного) агрегата термообработки. В процессе транспортирования полосы через секцию нагрева производят ее нагрев до температуры T=770°C. На выходе из секции нагрева полосу интенсивно охлаждают со скоростью V=68°C/с струями азота до температуры 120°C. При этом аустенитные составляющие структуры трансформируется в мелкодисперсные мартенситные включения, упрочняющие ферритную матрицу. Затем полосу транспортируют через секцию вторичного нагрева, где производят ее нагрев до температуры T=310°C с выдержкой при этой температуре в течение времени τ=25 с. При этом происходит отпуск мартенситной и ферритной фаз. Термообработанную полосу сматывают в рулон и подвергают испытанию механических свойств.
т
5
Варианты реализации предложенного способа, а также показатели прочности σ и пластичности δ холоднокатаной листовой термоообработанной стали приведены в табл.1.
Из данных, представленных в табл.1, следует, что реализация предложенного способа (варианты №2-4) обеспечивает повышение прочностных и пластических свойств холоднокатаной листовой стали марки 08Ю. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1 и №5), а также реализации известного способа [3] (вариант 6) пластические и прочностные свойства листовой стали снижаются.
Таблица 1.
Режимы производства и механические свойства листовой стали марки 08Ю
№ п/п
T<sub>з</sub>, °С
V, °С/с
T<sub>пн</sub>, °C
τ, с
σ<sub>т</sub>, МПа
δ<sub>5</sub>, %
1.
700
50
250
18
220
24
2.
710
60
260
20
295
38
3.
770
68
310
25
300
40
4.
850
80
350
26
295
39
5.
860
85
360
28
200
25
6.
700
не регл.
-
-
210
23
Пример 2.
В кислородном конвертере выплавляют стали следующих химических составов (табл.2).
Таблица 2.
Химический состав сталей
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
C
Mn
Si
Cr
Al
N
Ni
Cu
Fe
1.
0,05
0,3
0,0009
0,009
0,009
0,0009
0,03
0,04
Остальн.
2.
0,06
0,4
0,001
0,01
0,01
0,001
0,04
0,03
-:-
3.
0,08
1,9
0,020
0,25
0,03
0,006
0,05
0,07
-:-
4.
0,11
3,5
0,030
0,49
0,05
0,012
0,10
0,10
-:-
5.
0,12
3,6
0,035
0,50
0,06
0,013
0,12
0,11
-:-
Выплавленные стали подвергают непрерывной разливке и горячей прокатке в полосы толщиной 3,7 мм. Горячекатаные полосы подвергают олянокислотному травлению и холодной прокатке на непрерывном 5-клетевом стане кварто до толщины h=0,7 мм.
з
пн
Полученные холоднокатаные полосы подвергают термообработке в непрерывном агрегате. В секции нагрева агрегата полосы нагревают до температуры T=780°C, после чего в секции закалки охлаждают со скоростью V=70°C/с. Затем в секции повторного нагрева полосы нагревают до температуры нагрева T=305°C и выдерживают при этой температуре в течение τ=22 с.
В табл.3 приведены прочностные и пластические свойства сталей различного состава после термической обработки.
Таблица 3.
Механические свойства листовых сталей различного состава
№ варианта
№ состава
σ<sub>т</sub>, МПа
δ<sub>5</sub>, %
1.
1.
290
25
2.
2.
380
40
3.
3.
390
40
4.
4.
390
39
5.
5.
290
26
6.
[3]
202
24
Результаты испытания механических свойств (табл.3) показывают, что сталь предложенного состава (варианты №2-4) после термической обработки по предложенному режиму обеспечивает наибольшее повышение прочностных и пластических свойств холоднокатаной листовой стали. При запредельных значениях содержания химических элементов (варианты №1 и №5), а также при использовании стали известного состава [3] имеет место снижение прочностных и пластических свойств листовой стали.
Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что нагрев холоднокатаной листовой стали до 710-850°C и последующее интенсивное охлаждение со скоростью 60-80°C/с обеспечивает превращение аустенита в мелкодисперсный мартенсит, упрочняющий ферритную матрицу. Отпуск двухфазной мартенситно-ферритной стали при 260-350°C в течение не менее 20 с несколько повышает прочность мартенситной фазы и одновременно повышает пластичность ферритной матрицы.
В варианте реализации способа при использовании стали предложенного состава после нагрева холоднокатаной полосы до 710-850°C и последующего охлаждения со скоростью 60-80°C/с объемная доля мартенситной фазы в феррите достигает оптимальной величины 18-22%, благодаря чему одновременно достигается еще большее повышение прочности и пластичности.
В качестве базового объекта при определении технико-экономической эффективности предложенного способа принят известный способ [1]. Использование предложенного способа обеспечивает повышение рентабельности производства холоднокатаной листовой стали для глубокой вытяжки на 15-20%.
Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения:
1. Беняковский М.А. и др. Производство автомобильного листа - М.: Металлургия, 1979, с.12, 78, 107, 186.
2. Заявка №1136575 (Европатент), МПК C21D 9/46, C22C 38/00, 2001.
3. Заявка №59-38336, Япония. МПК C21D 9/48, C21D 8/04, 1984.