СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОЙ СТАЛИ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ
PRODUCTION METHOD OF COLD-ROLLED STEEL FOR DEEP DRAWING

Изобретение относится к области металлургии, к способам производства холоднокатаной стали с высокими вытяжными свойствами для холодной штамповки, и может быть использовано при изготовлении сталей, применяемых в автомобилестроении.
Сталь 08Ю является основным материалом для производства наружных панелей кузовов автомобилей в секторе машин доступного ценового сегмента, при этом в настоящее время требования к штампуемости сталей для лицевых панелей повышаются вследствие усложнения формы кузовов автомобилей. Особенностью современного этапа развития металлургии является изменение состава шихты, используемой при выплавке стали, увеличение доли металлолома, загрязненного примесями, многие из которых, попадая в сталь, оказывают отрицательное влияние на ее свойства, в частности, на показатели штампуемости. Современные технологии сталеплавильного производства, а также требования к составу шихты, позволяют обеспечить низкое содержание многих примесей, однако это приводит к удорожанию стали. Поэтому предпочтительна разработка новых технологий, обеспечивающих высокий комплекс свойств при повышенном содержании примесей путем управления структурообразованием в стали, в частности, при рекристаллизационном отжиге в колпаковых печах, при сохранении стоимостных показателей.
Известен способ производства листовой углеродистой качественной стали для холодной штамповки. Способ включает выплавку стали следующего состава, мас.%: 0,02-0,12 C; 0,08-0,55 Mn; 0,01-0,10 Al; Si≤0,05; P≤0,03; S≤0,03; N≤0,012; остальное Fe, разливку на машине непрерывного литья заготовок в слябы, горячую прокатку в интервале температур 1210°C-880°C, смотку в рулоны, сернокислотное травление охлажденных рулонов в непрерывном травильном агрегате, прокатку на стане холодной прокатки с суммарным относительным обжатием 55-80%, рекристаллизационный отжиг стопы рулонов в колпаковой печи с нагревом до температуры отжига 690-710°C и охлаждением, при этом в температурном интервале от 190-210°C до температуры отжига нагрев ведут со средней скоростью не выше 72°C/ч, а охлаждение стопы рулонов производят вначале до температуры 650-680°C за время 7-15 ч, по истечении которого охлаждение завершают с произвольной скоростью. Холоднокатаные отожженные полосы подвергают дрессировке на одноклетевом стане кварто 1700 с обжатием 1,2% (Патент РФ 2309990 описание, МПК C21D 8/04, C21D 1/26, опубл. 10.11.2007 г.).
Указанное изобретение обеспечивает высокую штампуемость стали 08Ю и удовлетворительное качество поверхности при определенных технологических параметрах горячей прокатки и рекристаллизационного отжига. Однако при высоком содержании азота, серы, марганца и алюминия, высоких скоростях прокатки и охлаждения, недостаточном времени отжига возможно формирование неблагоприятной текстуры, микроструктуры и низких показателей штампуемости.
C1
Известен способ производства стальных полос, включающий горячую прокатку, последующую холодную прокатку, смотку холоднокатаных полос в рулоны, рекристаллизационный отжиг рулонов в колпаковой печи с нагревом до температуры ниже A, в котором рекристаллизационный отжиг ведут по трем вариантам, в зависимости от требуемых физико-механических свойств к стальной полосе из низкоуглеродистой автолистовой стали (способность к глубокой вытяжке): "ВОСВ", "ОСВ", "СВ":
1. рекристаллизационный отжиг проводят при температуре 650-720°C, при этом нагрев рулонов до температуры отжига осуществляют в четыре этапа, на первом этапе нагревают до 320-600°C со скоростью 60-270°C/ч, на втором этапе - до 360-630°C со скоростью 10-30°C/ч, на третьем этапе - до 400-649°C со скоростью 5-7°C/ч, на четвертом этапе - до 650-720°C со скоростью 8-70°/ч;
2. рекристаллизационный отжиг проводят при температуре 650-720°C, при этом нагрев рулонов до температуры отжига осуществляют в три этапа, на первом этапе нагревают до 320-600°C со скоростью 60-270°C/ч, на втором этапе - до 360-649°C со скоростью 10-30°C/ч, на третьем - до 650-720°C со скоростью 8-70°C/ч;
3. рекристаллизационный отжиг проводят при температуре 650-720°C, при этом нагрев рулонов до температуры отжига осуществляют в два этапа, на первом этапе нагревают до 320-649°C со скоростью 60-270°C/ч, на втором этапе - до 650-720°C со скоростью 8-70°/ч. (Патент РФ 2277130, МПК C21D 8/04, C21D 9/48, опубл. 27.05.2006 г.).
Недостатком данного способа является снижение показателей штампуемости при повышенном содержании некоторых примесей, в том числе хрома, никеля, меди и ванадия.
Наиболее близким аналогом является способ производства холоднокатаной стали для глубокой вытяжки, включающий выплавку стали, разливку, горячую прокатку в черновой и чистовой группе клетей непрерывного широкополосного стана, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи при температуре не ниже 690°C и дрессировку. При этом выплавляют сталь, содержащую, мас.%: C 0,01-0,06, Si 0,003-0,030, Mn 0,05-0,25, P - 0,003-0,020, S 0,002-0,023, Al кислоторастворимый 0,01-0,06, N 0,002-0,007, Fe и неизбежные примеси остальное, при выполнении соотношений [Mn]·[S]≤0,045 и 5≤[Al]/[N]≤20. Горячую прокатку в черновой группе клетей заканчивают при толщине раската не менее 35 мм при температуре Tp≥1050+8000[Mn][S], а нагрев при рекристаллизационном отжиге осуществляют сначала до 450-500°С в течение не более 10 часов, после чего от 450-500°C нагрев ведут со скоростью не более 20°C/час, по крайней мере, до 550-600°С, далее со скоростью не более 50°C/час до температуры отжига. (Патент РФ 2281338, МПК C21D 8/04, C22C 38/06, опубл. 10.08.2006 г.).
Недостаток данного способа заключается в том, что при назначении технологических параметров не учитывается содержание в стали примесей, в том числе хрома, никеля, меди и ванадия, увеличение которого выше определенных пределов может отрицательно сказаться на характеристиках текстуры и микроструктуры и, соответственно, на штампуемости.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является оптимизация технологии производства стали с обеспечением технического результата в виде повышения штампуемости стали при наличии в ней примесей ванадия, хрома, никеля и меди и при сохранении стоимостных показателей.
Технический результат достигается тем, что в способе производства холоднокатаной стали для глубокой вытяжки, включающем выплавку стали, содержащей углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, алюминий кислоторастворимый, азот, железо и неизбежные примеси, в том числе хром, никель, медь и ванадий, разливку, прокатку на непрерывном широкополосном стане, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи при температуре не ниже 690°C с регламентированным нагревом и дрессировку, согласно изобретению, выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, масс.%:
Углерод
0,02-0,06
Кремний
0,005-0,030
Марганец
0,08-0,20
Фосфор
0,005-0,018
Сера
0,005-0,025
Алюминий кислоторастворимый
0,02-0,05
Азот
0,002-0,006
Хром не более
0,05
Никель не более
0,06
Медь не более
0,07
Ванадий не более
0,006
Железо и неизбежные примеси
Остальное,
1
регламентированный нагрев при рекристаллизационном отжиге осуществляют со скоростью не менее 30°C/час до температуры T, определяемой из соотношения
1
T≥350+970[Cr+Ni+Cu],
1
где T - температура начала замедленного нагрева, °C,
1
Cr, Ni, Cu - содержание хрома, никеля и меди соответственно, масс.%, после чего от температуры T нагрев ведут со скоростью не более 25°C/час по крайней мере в течение 3 часов, далее со скоростью не более 40°C/час до температуры отжига не более 720°C, при этом время нахождения металла при температурах не менее 690°C определяется из соотношения
690
τ≥4+950[V],
690
где τ - время нахождения металла при температурах не менее 690°C, час,
V - содержание ванадия, масс.%.
Сущность изобретения заключается в том, что для обеспечения высоких показателей штампуемости при определенном химическом составе низкоуглеродистой, раскисленной алюминием стали, в том числе при повышенном содержании примесей, требуется формирование определенной микроструктуры и текстуры, что достигается корректировкой технологических параметров производства.
1
Присутствие в стали хрома, никеля и меди приводит к смещению рекристаллизационных процессов в область более высоких температур. Повышение температуры рекристаллизации малыми концентрациями примесей связано с торможением формирования центров рекристаллизации, а также с торможением скорости их роста. Отрицательное влияние этих примесей можно уменьшить повышением температуры промежуточной выдержки при отжиге T.
690
Отрицательное влияние на свойства ванадия, входящего в состав карбидных фаз, образующихся при отжиге, вызывающих дисперсионное твердение и тормозящих рекристаллизационные процессы, можно уменьшить увеличением продолжительности высокотемпературной стадии отжига τ. Это приводит к растворению карбидных частиц, увеличению размера зерна и соответственно к повышению показателей штампуемости.
Предлагаемый состав стали обеспечивает формирование оптимальных структуры, текстуры и штампуемости стали при изменении технологических параметров в широких пределах, в частности, при изменении температурно-временных параметров рекристаллизационного отжига. При этом обеспечивается высокое качество поверхности холоднокатаного проката, а также его сравнительно низкая стоимость (из-за отсутствия необходимости вакуумирования стали и легирования дорогостоящими элементами).
Ограничение нижнего предела содержания углерода, азота, фосфора, серы и кремния в стали определяется возможностями существующих на сегодняшний день сталеплавильных технологий. Дальнейшее снижение содержания этих элементов не вызывает существенного улучшения потребительских свойств, но приводит к существенному удорожанию металлопродукции.
Ограничение нижнего предела содержания марганца связано с необходимостью связать серу в частицы MnS, что предупреждает образование сульфида железа, присутствие которого может оказать вредное влияние на качество поверхности проката.
Минимальное содержание алюминия в стали определяется необходимостью ее достаточного раскисления.
Ограничение верхнего предела содержания всех элементов в стали связано с необходимостью обеспечения высокой штампуемости. Превышение указанных пределов приводит к снижению штампуемости из-за смещения рекристаллизационных процессов в область более высоких температур (хром, никель и медь) и из-за дисперсионного твердения и образования сегрегации по границам зерен, которые также могут повлиять на свойства, как непосредственно, так и через образование частиц VC в присутствии повышенного содержания ванадия.
1
1
Увеличение скорости нагрева металла до температуры T не менее 30°C/с связано с необходимостью подавить выделение частиц AlN до начала рекристаллизации, а снижение скорости нагрева от температуры T, температуры начала замедленного нагрева не менее 440-525°C в зависимости от суммарного содержания хрома, никеля и меди, не более 25°C/с в течение 3 часов и далее со скоростью не более 40°C/с до температуры отжига 720°C - с необходимостью обеспечить более полное выделение частиц AlN на начальных стадиях рекристаллизации. Ограничение минимальной температуры и времени последующего нагрева 690°C связано с необходимостью создания условий для более полного протекания процессов собирательной рекристаллизации, что также требуется для обеспечения высокой штампуемости.
Примеры конкретного выполнения способа.
Пять вариантов низкоуглеродистой стали (химический состав представлен в таблице 1) были выплавлены в 300-тонном конвекторе ОАО «Северсталь», разлиты на установке непрерывной разливки стали в слябы сечением 250×1290 мм, из которых горячей прокаткой на стане «2000» получали полосы толщиной 3,5 мм, обеспечивая температуру раската за четвертой группой клетей в интервале 1020-1130°C, начала прокатки в чистовой группе 920-1050°C, температуры конца прокатки 820-880°C и смотки 520-610°C. После травления и холодной прокатки со степенью обжатия 60-80% металл подвергали рекристаллизационному отжигу в колпаковых печах по различным режимам. После дрессировки со степенью обжатия 1,0% проводили комплексные механические испытания.
Были опробованы следующие варианты сталей и технологических параметров:
1
1
1
690
690
Вариант 1 - сталь, химический состав которой соответствовал формуле изобретения, при этом содержание хрома, никеля и меди были близки к верхнему пределу их содержания по формуле изобретения, нагрев при рекристаллизационном отжиге осуществляли с температурой не менее 30°C/час до температуры T=529°C, которая удовлетворяла условию (1), в соответствии с которым значение T должно быть более 504°C, после чего от температуры T нагрев вели со скоростью не более 25°C/час, далее со скоростью не более 40°C/час до температуры отжига 720°C, а время нахождения металла при температуре не ниже 690°С τ=8,1 часа удовлетворяло условию (2), в соответствии с которым для данного значения [V] значение τ должно быть не ниже 6,85 часа; то есть данный вариант соответствовал формуле изобретения.
1
1
1
690
690
Вариант 2 - сталь, химический состав которой соответствовал формуле изобретения, при этом содержание ванадия было близко к верхнему пределу его содержания по формуле изобретения, нагрев при рекристаллизационном отжиге осуществляли с температурой не менее 30°C/час до температуры T=497°C, которая удовлетворяла условию (1), в соответствии с которым значение T должно быть более 461°C, после чего от температуры T нагрев вели со скоростью не более 25°C/час, далее со скоростью не более 40°C/час до температуры отжига 720°C, а время нахождения металла при температуре не ниже 690°C τ=10,2 часа удовлетворяло условию (2), в соответствии с которым для данного значения [V] значение τ должно быть не ниже 8,75 часа; то есть данный вариант соответствовал формуле изобретения.
Таблица 1
Химический состав стали
№ вар.
Содержание элементов, масс.%
C
Si
Mn
P
S
Alк.р.
N
V
Cr
Ni
Cu
ΣCr+Ni+Cu
Fe и ост. примеси
1
0,049
0,023
0,014
0,009
0,014
0,043
0,005
0,003
0,041
0,055
0,063
0,159
остальное
2
0,053
0,025
0,17
0,012
0,0096
0,037
0,0041
0,005
0,04
0,026
0,048
0,114
остальное
3
0,041
0,02
0,18
0,011
0,017
0,04
0,0047
0,005
0,046
0,053
0.065
0,164
остальное
4
0,04
0,015
0,16
0,009
0,011
0,042
0,0033
0,002
0,019
0,023
0,029
0,071
остальное
5
0,042
0,025
0,12
0,015
0,016
0,028
0,0035
0,007
0,06
0,065
0,074
0,199
остальное
Таблица 2
Результаты механических испытаний исследованных вариантов
№ варианта
Механические свойства
σ<sub>0,2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>4</sub>, %
r*
n**
1
173
277
42
1,91
0,20
2
180
300
41
1,92
0,20
3
189
295
40
1,86
0,21
4
180
306
34
1,92
0,21
5
198
324
38
1,83
0,20
Требования НТД к категории ВОСВ
≤185
250-350
≥40
≥1,9
≥0,2
* - коэффициент пластической анизотропии;
** - показатель деформационного упрочнения.
1
1
690
690
1
Вариант 3 - сталь, химический состав которой соответствовал формуле изобретения, при этом содержание хрома, никеля, меди и ванадия были близки к верхнему пределу их содержания по формуле изобретения, нагрев при рекристаллизационном отжиге осуществляли с температурой не менее 30°C/час до температуры T=450°C, которая не удовлетворяла условию (1), в соответствии с которым значение Ti должно быть более 509°C, после чего от температуры T нагрев вели со скоростью не более 25°C/час, далее со скоростью не более 40°C/час до температуры отжига 720°C, а время нахождения металла при температуре не ниже 690°C τ=9,46 часа удовлетворяло условию (2), в соответствии с которым для данного значения [V] значение τ должно быть не ниже 8,75 часа; то есть данный вариант не соответствовал формуле изобретения по значению времени T.
1
1
1
690
690
Вариант 4 - сталь, химический состав которой соответствовал формуле изобретения, нагрев при рекристаллизационном отжиге осуществляли с температурой не менее 30°C/час до температуры T=500°C, которая удовлетворяла условию (1), в соответствии с которым значение T должно быть более 419°C, после чего от температуры T нагрев вели со скоростью не более 25°C/час, далее со скоростью не более 40°C/час до температуры отжига 730°C, которая не удовлетворяла формуле, в соответствии с которой температура отжига должна быть не выше 720°C, время нахождения металла при температуре не ниже 690°C τ=6,4 часа удовлетворяло условию (2), в соответствии с которым для данного значения [V] значение τ должно быть не ниже 5,9 часа; то есть данный вариант не соответствовал формуле изобретения по значению температуры отжига.
1
1
1
Вариант 5 - сталь, содержащая 0,007% ванадия, 0,06% хрома, 0,065% никеля и 0,074% меди, что не соответствовало формуле изобретения, нагрев при рекристаллизационном отжиге осуществляли с температурой не менее 30°C/час до температуры T=535°C, которая удовлетворяла условию (1), в соответствии с которым значение T должно быть более 525°C, после чего от температуры T нагрев вели со скоростью не более 25°C/час, далее со скоростью не более 40°С/час до температуры отжига 720°C, а время нахождения металла при температуре не ниже 690°C составляло 11,8 часа, что удовлетворяет условию (2), в соответствии с которым оно должно быть не ниже 10,65 часа; то есть данный вариант не соответствовал формуле изобретения по значению содержащая хрома, никеля, меди и ванадия.
-3
-1
Механические характеристики исследуемых сталей определяли при испытаниях на растяжение на универсальной электромеханической испытательной машине INSTRON-1185 в полуавтоматическом режиме с тензометром продольной деформации (база тензометра 26 мм). Скорость растяжения составляла 20 мм/мин, скорость деформирования ≈10 с. Относительная погрешность измерений составляла 0,5%. Испытания проводили в соответствии с рекомендациями ГОСТ 11701-84.
0,2
При отсутствии на кривой растяжения площадки текучести, величину условного предела текучести σ определяли по показаниям тензометра с учетом линейного участка диаграммы растяжения (кроме этого, для контроля, использовали анализ машинной диаграммы растяжения).
80
Показатель упрочнения (n) определяли в диапазоне деформации от 10 до 15 (17) %. Коэффициент нормальной пластической анизотропии г определяли при остановке испытаний (при достижении 17%) путем замера вручную ширины образца (в трех сечениях). Относительное удлинение определяли на базе 80 мм (A).
Результаты механических испытаний образцов всех вариантов приведены в таблице 2.
т
в
4
Определяли предел текучести σ, предел прочности σ, относительное удлинение δ, коэффициент нормальной пластической анизотропии r и коэффициент деформационного упрочнения n. Критерием обеспечения высокой штампуемости считали соответствие значений указанных параметров требованиям к сталям категории ВОСВ (весьма особо сложная вытяжка). Соответствующие требования к параметрам также представлены в таблице 2.
Видно, что для варианта 3 и 5 получены высокие значения предела текучести, низкие значения относительного удлинения и низкие коэффициента нормальной пластической анизотропии, что не позволяет отнести указанные стали к категории вытяжки ВОСВ. Для варианта 3 это связано с неполном протеканием рекристаллизационных процессов из-за низкой температуры замедленного нагрева при отжиге при повышенном содержании примесей, для варианта 5 - с неполном протеканием рекристаллизационных процессов из-за высокого содержания примесей.
Для варианта 4 были получены низкие значения относительного удлинения, что также не позволяет отнести указанную сталь к категории вытяжки ВОСВ: применение высокой температуры отжига приводит к переходу стали в двухфазную область, неравномерности структуры и, как следствие к низкому значению относительного удлинения.
Таким образом, сталь, полученная по вариантам 1 и 2, которые полностью соответствовали формуле изобретения, имеет механические свойства на уровне категории вытяжки ВОСВ. Следовательно, использование настоящего предложения существенно повышает штампуемость холоднокатаной стали для глубокой вытяжки при наличии в стали примесей ванадия, хрома, никеля и меди путем оптимизации параметров сквозной технологии производства, в частности режимов рекристаллизационного отжига в колпаковых печах, при сохранении стоимостных показателей.