СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНОЙ ПОЛОСЫ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF MAKING STEEL STRIP (VERSIONS)

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к способу производства стальных холоднокатаных и горячеоцинкованных полос с дополнительным упрочнением при сушке лакокрасочного покрытия на штампованном изделии (ВН-эффектом). Стальные полосы предназначены для изготовления изделий автомобиля методом штамповки.
ВН-эффект - это упрочнение, происходящее в процессе сушки лакокрасочного покрытия на штампованной детали. В сталях с ВН-эффектом сочетаются высокие пластические свойства в состоянии поставки и высокие прочностные характеристики после штамповки и сушки. Высокопрочные стали с ВН-эффектом устойчивы к вмятинам, что позволяет уменьшить толщину листовой стали, а значит приводит к экономии топлива. ВН-эффект в прокате обусловлен искусственным старением, связанным с наличием свободных атомов углерода в твердом растворе феррита, которые образуют облака Котрелла - тончайшие выделения карбидов. Эти карбиды закрепляют подвижные дислокации в феррите при повышенной температуре, что приводит к упрочнению штампованных деталей при сушке.
Одним из определяющих качеств стальных полос для штамповки является способность к вытяжке, сочетание прочностных и пластических характеристик, полосы должны соответствовать определенному комплексу механических свойств, например, согласно требований стандартов SEW 094, RENAULT 11-04-804 (таблица 1).
Таблица 1
Вид продукции
Стандарт
Марка
Предел текучести σ<sub>0,2</sub> (R<sub>el</sub>), Н/мм<sup>2</sup>
Прочность при растяжении (R<sub>m</sub>), Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение A<sub>80</sub>, %
r90
n90
Повышение предела текучести за счет термообработки BH<sub>2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
Не менее
He менее
He менее
Не менее
Холоднока-таный
SEW 094
ZStE 180 BH
180-240
300-380
32
-
-
40
ZStE 220 BH
220-280
320-400
30
-
-
40
ZStE 260 BH
260-320
360-440
28
-
-
40
ZStE 300 BH
300-360
400-480
26
-
-
40
Холоднока-таный и оцинкован-ный
RENAULT 11-04-804
E 220 BH
220-260
340-420
32
1,7
0,19
40
E 260 BH
260-310
370-440
32
1,5
0,17
40
Известен способ производства листовой стали, включающий разливку слябов из стали, содержащей, мас.%:
Углерод
0,002-0,007
Кремний
0,005-0,050
Марганец
0,08-0,16
Алюминий
0,0-0,05
Титан
0,05-0,12
Фосфор
не более 0,015
Сера
0,003-0,010
Хром
не более 0,04
Никель
не более 0,04
Медь
не более 0,04
Азот
не более 0,006
Железо
остальное,
нагрев слябов до 1150-1240°С, горячую прокатку с температурой конца прокатки не ниже 870°С, охлаждение водой до 550-730°С, смотку в рулоны, холодную прокатку с суммарным обжатием не менее 70%, отжиг при 700-750°С с выдержкой при этой температуре в течение 11-34 часов, дрессировку с обжатием 0,4-1,2% [Патент РФ №2197542 МПК C21D 8/04, C21D 9/48, 28.06.2001 г.].
Недостатком известного способа производства является низкая прочность, высокая себестоимость стали из-за наличия дорогостоящего титана, низкая прочность, отсутствие ВН-эффекта, а также повышенная отсортировка металла по дефектам «плена» и «неметаллические включения».
Известен способ производства горячеоцинкованного металла высших категорий вытяжки, включающий горячую прокатку с температурой смотки 500±30°С, холодную прокатку с суммарным обжатием не более 70%, отжиг в колпаковой печи в защитной атмосфере с одноступенчатым нагревом при температуре 680-710°С и термическую обработку металла в линии агрегата непрерывного горячего цинкования при температурах 490-510°С со скоростью нагрева 10,8-11,4°С/с на первой стадии, при температурах 520-560°С со скоростью нагрева 0,4-0,8°С/с на второй стадии и выдержкой при этих температурах 85 с, охлаждение, перестаривание и нанесение тончайшего цинкового покрытия [Патент РФ №2128719 МПК C21D 9/48, C21D 8/04, С23С 2/40, 10.04.1999 г.].
Недостатком известного способа производства является низкая прочность, отсутствие ВН-эффекта.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства стального листа с высокой способностью к упрочнению при сушке, характеризующийся содержанием в стали следующих компонентов, мас.%:
Углерод
0,0001-0,2
Кремний
≤2,0
Марганец
≤3,0
Фосфор
≤0,15
Сера
≤0,015
Хром
≤2,5
Никель + медь
0,001-1,0
Алюминий
≤0,1
Азот
0,001-0,1
Титан
0,0001-0,1
Ниобий
0,001-0,03
Железо и неизбежные примеси
остальное,
включающий непрерывную разливку слябов, нагрев слябов при температуре 1200°С и выше, горячую прокатку, которую заканчивают при температуре не ниже 600°С, охлаждение водой, смотку в рулоны при температуре 550°С или ниже, холодную прокатку с суммарным обжатием 95% или ниже, рекристаллизационный отжиг, а в случае проведения его в проходных печах - при температуре 600-1100°С и затем нанесение цинкового покрывия, дрессировку полос с обжатием 3% или менее. [ЕР №1306456 А1, C21D 9/46, 02.05.2003 г].
Недостатком известной стали и способа производства является низкая прочность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является оптимизация состава стали и технологии производства стальных полос, холоднокатаных и горячеоцинкованных, с повышенными прочностными характеристиками, с хорошей штампуемостью, с упрочнением при сушке лакокрасочного покрытия в готовых деталях (с ВН-эффектом), а так же снижение производственных издержек за счет исключения использования дорогостоящих легирующих элементов, таких как титан, ниобий.
Технический результат достигается тем, что способ производства стальной полосы включает выплавку стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Углерод
0,001-0,015
Кремний
0,001-0,50
Марганец
0,05-1,0
Фосфор
не более 0,12
Сера
не более 0,025
Хром
не более 0,30
Никель
не более 0,30
Медь
не более 0,19
Алюминий
от более 0,02 до 0,15
Азот
не более 0,010
Железо и неизбежные примеси,
в том числе титан и ниобий,
остальное,
при этом выполняется соотношение [Mn]/[S]≥4,8 и сумма содержаний титана и ниобия составляет не более 0,012 мас.%, при этом сталь может дополнительно содержать 0,0005-0,005% бора и/или 0,0005-0,005% кальция, непрерывную разливку слябов. Нагрев слябов ведут при температуре от 1060 до менее 1200°С, горячую прокатку заканчивают при температуре 800-930°С, затем полосы охлаждают водой и смотку полос в рулоны осуществляют при температуре от более 550 до 730°С. После проведения солянокислотного травления осуществляют холодную прокатку с суммарным обжатием 40-95%. Далее, по первому варианту, осуществляют рекристаллизационный отжиг в колпаковых печах при температуре 600-750°С с выдержкой при этой температуре 6-35 часов, затем производят дрессировку полос.
По второму варианту осуществления способа с нанесением цинкового покрытия, рекристаллизационный отжиг осуществляют в проходных печах при температуре 750-900°С и затем производят дрессировку полос.
Сущность изобретения состоит в том, что механические свойства стальных полос зависят от химического состава стали и режимов деформационно-термической обработки на прокатных переделах.
Углерод - один из упрочняющих элементов. При содержании углерода менее 0,001% прочность стали ниже допустимой, отсутствует ВН-эффект. Увеличение содержания углерода более 0,015% приводит к снижению пластичности стали. Благодаря наличию в ферритной матрице свободного углерода в результате старения достигается упрочнение в процессе сушки лакокрасочного покрытия (ВН-эффект).
Кремний в стали применен как раскислитель и легирующий элемент. При содержании кремния менее 0,001% не достигается достаточное раскислительное действие. Увеличение содержания кремния более 0,50% приводит к росту количества силикатных неметаллических включений, снижает пластичность и увеличивает охрупчивание стали.
Марганец и фосфор создают твердорастворное упрочнение, за счет чего обеспечивается необходимый комплекс механических свойств. При содержании марганца менее 0,05% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,0% и фосфора более 0,12% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность и штампуемость.
Сера является примесным элементом и упрочняет ферритную матрицу за счет образования сульфидов марганца. Увеличение содержания серы более 0,025% приводит к снижению пластичности и штампуемости.
Сера интенсивно связывается с марганцем с образованием сравнительно тугоплавких сульфидов марганца MnS. Включения MnS могут служить центрами зарождения других фаз (нитридных, карбидных). При повышенном содержании серы и пониженном содержании марганца сера находится в стали в виде сернистого железа FeS, которое образует с железом легкоплавкую эвтектику, располагающуюся по границам зерен, что приводит к образованию трещин при прокатке. Чтобы этого избежать, содержание марганца и серы связано зависимостью: [Mn]/[S]≥4,8.
Хром, никель, медь упрочняют ферритную матрицу. Содержание хрома, никеля более 0,30% и меди более 0,19% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.
Алюминий введен в сталь как раскислитель, стабилизирует сталь, предотвращает ее старение. При содержании алюминия менее 0,02% снижается пластичность стали, сталь становится склонной к старению. Увеличение содержания алюминия более 0,15% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.
Азот является нитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Увеличение содержания азота более 0,010% приводит к снижению пластичности и способствует старению стали.
Бор препятствует чрезмерному росту ферритных зерен, гомогенизирует микроструктуру. Наличие бора предотвращает образование сегрегации фосфора по границам зерен. При содержании бора менее 0,0005% прочностные свойства проката ниже допустимого уровня. Увеличение содержания бора более 0,005% приводит к снижению пластичности проката.
Кальций в пределах от 0,0005 до 0,005% применяют для повышения эффективности раскисляющего действия алюминия и для улучшения формы включений окислов алюминия, их глобуляризации.
Нагрев слябов до температуры выше 1200°С приводит к растворению в твердом растворе крупных частиц (карбонитридов, карбидов, нитридов), которые в дальнейшем выделяются в виде мелкодисперсных частиц, что приводит к чрезмерному упрочнению стали и ухудшению штампуемости. Снижение температуры нагрева менее 1060°С приводит к ухудшению пластических свойств. Нагрев слябов в температурном интервале 1060-1200°С обеспечивает минимальное окисление стали в процессе нагрева и прокатки.
При температуре конца прокатки менее 800°С и температуре смотки менее 550°С сталь приобретает мелкозернистую микроструктуру и неблагоприятную для холодной штамповки текстуру, ухудшается пластичность проката. При температуре конца прокатки выше 930°С и температуре смотки выше 730°С в стали формируется неравномерная микроструктура с крупными зернами на поверхности полосы, что отрицательно сказывается на штампуемости.
Холодная прокатка с суммарным обжатием 40-95% обеспечивает благоприятную для штамповки текстуру. При запредельных значениях ухудшается пластичность и плоскостность полосы.
Рекристаллизационный отжиг при 600-750°С с выдержкой при этой температуре 6-35 часов - в колпаковых печах или 750-900°С - в непрерывных проходных печах является оптимальным для прохождения в стали первичной рекристаллизации и в определенной степени собирательной рекристаллизации. При недостаточной или чрезмерной температуре отжига формируется нерекристаллизованная или неоднородная микроструктура с разнобальными зернами, что отрицательно сказывается на механических свойствах и штампуемости проката. Выдержка в колпаковых печах менее 6 часов приводит к формированию нерекристаллизованной микроструктуры, а выдержка более 35 часов приводит к неоправданным энергозатратам.
2
Испытания для определения упрочнения при сушке лакокрасочного покрытия ВН (ВН-эффекта) определяли согласно стандарта SEW 094 в следующей последовательности:
p2,0
1. Образцы растягивали до деформации 2% и определяли R - напряжение при деформации 2%.
2. Образцы отжигали при температуре 170°С в течение 20 минут.
eL
3. Образцы испытывали на растяжение до разрыва и определяли R.
2
eL
p2,0
4. Рассчитывали ВН=R-R
Примеры реализации способа
В кислородном конвертере выплавили 6 опытных плавок стали, химический состав которых приведен в таблице 1.
Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы. Слябы нагревали в нагревательной печи с шагающими балками и прокатывали на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 2,0-5,5 мм. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге охлаждали водой и сматывали в рулоны. Охлажденные рулоны подвергали солянокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате. Затем травленые полосы прокатывали на 5-клетевом стане до толщины 0,6-2,0 мм. Полосы отжигали в колпаковых печах с водородной защитной атмосферой или проходных непрерывных печах с нанесением покрытия. Отожженные полосы дрессировали. Деформационно-термические режимы на прокатных переделах приведены в таблице 3.
Механические свойства опытных плавок приведены в таблице 4.
2
2
2
2
2
2
2
2
Из таблиц 2-4 видно, что в случае реализации предложенного способа (составы №2-5) достигаются механические свойства с повышенным уровнем прочности, высокой пластичностью и ВН-эффектом более 40 Н/мм (предел текучести соответствует 210-330 Н/мм, относительное удлинение - 29-40%, упрочнение при сушке ВН - 40-47 Н/мм). При запредельных значениях заявленных параметров достигаются свойства либо с низкой прочностью (предел текучести 150 Н/мм - состав №1), либо с низкой пластичностью и низким упрочнением при сушке лакокрасочного покрытия (относительное удлинение 25%, ВН=34 Н/мм - состав №6). При использовании способа-прототипа (состав №7) достигаются свойства проката с низкой прочностью (предел текучести 160 Н/мм).
2
Стальные полосы, произведенные по предложенной технологии, обладают хорошими показателями по штампуемости, обладают дополнительным упрочнением при сушке лакокрасочного покрытия не менее 40 Н/мм.
Таблица 2
Химический состав опытных плавок (мас.%)
№состава
С
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Сu
Аl
N
В
Са
Mn/S
Ti+Nb
Железо и неизбеж-ные примеси
1
0,0005
0,0005
0,04
0,01
0,015
0,01
0,02
0,02
0,04
0,001
-
0,006
2,7
0,013
Ост.
2
0,015
0,001
0,15
0,02
0,010
0,03
0,06
0,09
0,05
0,002
0,0005
0,005
5,0
0,006
Ост.
3
0,010
0,15
0,10
0,05
0,021
0,08
0,10
0,10
0,04
0,004
0,005
-
4,8
0,007
Ост.
4
0,001
0,03
0,50
0,09
0,025
0,15
0,18
0,18
0,10
0,005
-
0,0005
20
0,012
Ост.
5
0,005
0,50
1,00
0,12
0,030
0,30
0,30
0,19
0,15
0,010
-
-
33
0,012
Ост.
6
0,016
0,55
1,05
0,13
0,031
0,35
0,35
0,20
0,16
0,011
0,006
-
34
0,014
Ост.
7
0,0034
0,01
0,10
0,009
0,006
0,39
0,01
0,02
0,044
0,0022
-
-
Не регл.
Не регл.
Ост.
Прототип
Таблица 3
Деформационно-термические режимы на прокатных переделах
№ состава
Вид полосы
Температура нагрева сляба, °С
Температура конца прокатки, Т<sub>кп</sub>, °C
Температура смотки, T<sub>см</sub>, °C
Суммарное обжатие при холодной прокатке, %
Температура рекристаллизационного отжига и выдержка
1
х/к
1050
790
495
39
595°С - 5 час
2
х/к
1060
800
500
40
600°С - 6 час
3
х/к
1100
850
600
65
750°С - 35 час
4
оц
1150
900
680
80
750°С
5
оц
1190
930
730
95
900°С
6
оц
1300
935
735
96
905°С
х/к
755°С - 36 час
7
х/к
1000-1160
922
730
95 и менее
650-800°С
Прототип
оц
700-900°С
Таблица 4
Механические свойства опытных плавок
№ состава
Предел текучести σ<sub>0,2</sub> (R<sub>el</sub>), H/мм<sup>2</sup>
Прочность при растяжении (R<sub>m</sub>), Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение A<sub>80</sub>, %
Коэффициент анизотропииr<sub>90</sub>
Коэффициент деформационного упрочненияn<sub>90</sub>
Повышение предела текучести за счет термообработки, ВН<sub>2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
1
150 (низкое значение)
300
45
2,7
0,25
0
2
210
340
40
2,1
0,21
47
3
250
370
35
2,0
0,20
45
4
270
375
34
1,8
0,19
40
5
330
420
29
1,7
0,18
45
6
340
430
25 (низкое значение)
1,4
0,15
34 (низкое значение)
7
160 (низкое значение)
292
52
нет данных
нет данных
42
Прототип