НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ
LOW-ALLOY STEEL AND PRODUCT IMPLEMENTED FROM IT

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам сталей и к выполненным из них изделиям, и может быть использовано при производстве листа высокой прочности для изготовления способом холодной деформации высоконагруженных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, строительных конструкций.
Развитие машиностроения предъявляет высокие требования к технологическим и механическим свойствам тонкого листа из конструкционных сталей для снижения металлоемкости и обеспечения эксплуатационной надежности готовой продукции. Особенно важно увеличение статической и усталостной прочности изделий ответственного назначения.
Известна сталь для производства горячекатаного и холоднокатаного листа, содержащая, мас.%:
углерод 0,002-0,015;
марганец 0,10-0,35;
хром 0,05-0,40;
титан 0,02-0,15;
алюминий 0,01-0,06;
азот <0,006;
сера <0,02;
кислород <0,01;
железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении соотношения
Ti/(C+N)<0,8.
Сталь может дополнительно содержать кремний до 0,1%, бор - до 0,0035%, РЗМ - до 0,05%.
(Патент США №4331488, НКИ 148/36, опубл. 26.06.1982.)
Недостатки этой стали.
Малое содержание алюминия на нижнем пределе (0,01 мас.%), не обеспечивающее раскисление и связывание азота. Большое содержание титана на верхнем пределе (0,15 мас.%), вызывающее образование неметаллических включений и измельчение ферритных зерен, что ухудшает пластичность. Низкая прочность при заданных пределах содержания углерода (0,002-0,015 мас.%), хрома (0,05-0,40 мас.%) и марганца (0,10-0,35 мас.%).
Известны горячекатаные полосы толщиной 2,0 мм и более, холоднокатаные толщиной 0,5 мм и более, изготовленные из стали, содержащей, мас.%:
углерод 0,02-0,07;
марганец 0,15-0,30;
медь 0,02-0,30;
алюминий 0,03-0,07;
бор 0,0005-0,005;
фосфор 0,04-0,10;
азот 0,001-0,007;
железо - остальное.
(Патент РФ №1741459, МПК C22C 38/16, опубл. 10.11.1995 г.)
Недостатки этой стали и выполненных из нее изделий.
Возможность интенсивного окисления алюминия и бора при недостаточной защите на нижнем пределе углерода (0,02 мас.%) и марганца (0,15 мас.%), а поэтому - повышенная загрязненность включениями и пониженная штампуемость.
Образование разнозернистой ферритной основы при содержании вблизи нижнего предела углерода (0,02 мас.%), марганца (0,15 мас.%) и фосфора (0,04 мас.%) и ухудшение вытяжки.
Низкие значения предела прочности при содержании фосфора около 0,04 мас.%, углерода 0,02 мас.% и азота около 0,001 мас.%.
Ослабленная трещиностойкость и пониженная горячая пластичность вследствие увеличенной ликвационной неоднородности при содержании вблизи верхнего предела фосфора - 0,10 мас.%, меди и марганца - до 0,30 мас.% каждого.
Известна сталь, содержащая, мас.%:
углерод 0,02-0,08;
марганец 0,20-0,60;
кремний 0,005-0,10;
медь 0,01-0,10;
алюминий 0,02-0,07;
бор 0,001-0,005;
кальций 0,0005-0,01;
азот 0,001-0,006;
ванадий 0,0005-0,0030;
ниобий 0,0005-0,0030;
железо - остальное, при этом суммарное содержание ванадия и ниобия составляет ≤0,0055%.
(Патент РФ №2154123, МПК C22C 38/16, опубл. 10.08.2000 г.)
Недостатки этой стали.
Пониженная статическая и усталостная прочность при составах вблизи нижнего предела углерода и азота (соответственно - 0,02 и 0,003 мас.% C и N).
Склонность к неравномерному росту зерен и образованию крупных зерен феррита при нижних пределах углерода, азота, кремния и меди (соответственно 0,02 мас.% С; 0,001 мас.% N; 0,005 мас.% Si; 0,01 мас.% Cu), вызывающая дефект грубой шероховатости поверхности металла при штамповке («апельсиновая корка»).
Пониженная трещиностойкость при деформации и сварке в случае содержания бора вблизи верхнего предела (0,005 мас.%) вследствие ухудшения пластичности при образовании включений окислов и карбонитридов бора.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения являются изделия, выполненные из низколегированной стали, содержащей следующие компоненты, мас.%:
углерод 0,05-0,09;
марганец 0,25-0,40;
кремний 0,01-0,10;
медь 0,01-0,50;
алюминий 0,02-0,07;
фосфор 0,07-0,12;
кальций 0,0005-0,001;
бор 0,0008-0,005;
азот 0,003-0,007;
сера 0,005-0,025;
железо и неизбежные примеси - остальное, при этом содержание фосфора, углерода и марганца, а также серы и марганца связаны математическими зависимостями.
Из стали изготавливают горячекатаные полосы толщиной 2-15 мм и холоднокатаный лист или ленту толщиной 0,5-3,0 мм.
(Патент РФ №2212469, МПК С22С 38/16, опубл. 20.09.2003 г. - прототип.)
Недостатки этой стали и выполненных из нее изделий.
Возможность образования горячих трещин и дефектов типа «плена», «расслой» вследствие ликвационной неоднородности при содержании на верхнем пределе меди (0,50 мас.%).
Несогласованное содержание на верхнем пределе углерода - 0,09 мас.%, азота - 0,07 мас.% и фосфора - 0,12 мас.%, которое может вызвать охрупчивание при деформации и сварке.
Возможность интенсивного окисления бора и снижения его включениями сопротивления усталости, при содержании бора до 0,005 мас.%, без специальной защиты дополнительным раскислителем.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в получении тонкого горячекатаного и холоднокатаного листа из конструкционной низколегированной стали с высокой прочностью, свариваемостью и штампуемостью, предназначенного для изделий ответственного назначения, в частности несущих деталей корпуса, колес, облицовки автомобиля.
Технический результат изобретения - повышение статической и усталостной прочности металла после прокатки и после сварки, предотвращение поверхностных и внутренних дефектов, обеспечение холодной деформации штамповкой со сложной вытяжкой, вырубкой, гибом.
Это достигается тем, что изделие из низколегированной стали согласно изобретению выполнено в виде холоднокатаного листа или ленты толщиной 0,15-3,0 мм из стали, содержащей углерод, марганец, кремний, медь, алюминий, фосфор, кальций, бор, азот, серу, хром, никель, титан и железо при следующем соотношении компонентов, 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, при этом содержание фосфора, хрома, никеля, азота и углерода связано зависимостью 5,0≥(P+Cr+Ni)/(N+C)≥1,0; содержание кремния, хрома, никеля и меди выражено зависимостью (Si+Cr)/(Ni+Cu)≥0,5, а содержание бора, титана и серы определено соотношением (B+Ti)/S≥0,2, а также тем, что изделие из низколегированной стали согласно изобретению выполнено в виде горячекатаной полосы толщиной от 2,0 до 15,0 мм из стали, содержащей углерод, марганец, кремний, медь, алюминий, фосфор, кальций, бор, азот, серу, хром, никель, титан и железо при следующем соотношении компонентов, 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, при этом содержание фосфора, хрома, никеля, азота и углерода связано зависимостью 5,0≥(P+Cr+Ni)/(N+C)≥1,0; содержание кремния, хрома, никеля и меди выражено зависимостью (Si+Cr)/(Ni+Cu)≥0,5, а содержание бора, титана и серы определено соотношением (B+Ti)/S≥0,2
2
3
2
2
3
2
3
Для упрочнения стали применяется легирование компонентами, повышающими твердость и прочность феррита и измельчающими его зерно, - фосфором, марганцем, кремнием, хромом, вместе с ее микролегированием компонентами, создающими упрочнение феррита путем образования дисперсных выделений дополнительных фаз (карбидов, карбонитридов, сульфокарбонитридов и др.), - углеродом, азотом, алюминием, хромом, бором, серой. Нижние пределы содержания фосфора, марганца, кремния для упрочнения легирования составляют соответственно, мас.%: фосфора 0,07, марганца 0,20, кремния 0,01, верхние пределы содержания фосфора, марганца, кремния для ограничения ликвационной неоднородности и сохранения штампуемости составляют, мас.%: 0,12 фосфора, 0,50 марганца, 0,30 кремния. Нижние пределы содержания углерода, азота, алюминия, хрома, бора, серы для микролегирования и упрочнения стали дисперсными выделениями составляют соответственно, мас.%: углерода 0,06, азота 0,003, алюминия 0,02, хрома 0,01, бора 0,0008, серы 0,005, верхние пределы содержания этих же элементов для предотвращения увеличения количества и размеров выделяющихся включений (карбидов, карбонитридов, сульфокарбоборидов), вызывающих снижение пластичности и ухудшение качества поверхности по дефектам «окалина», «плена», микротрещины окисленные, большая шероховатость, равны, мас.%: углерода 0,10, азота 0,009, алюминия 0,07, хрома 0,30, бора 0,005, серы 0,025. Пластичность для деформации обеспечивается также при комплексном использовании для раскисления компонентов - кальций, алюминий, кремний, а для обессеривания - компонентов - титан, марганец. Для измельчения включений оксидов и их сфероидизации нижние пределы содержания кальция, алюминия, кремния составляют, мас.%: кальция 0,0005, алюминия 0,02, кремния 0,01, для предотвращения образования комплексных многофазных включений (типа FeО·АlО; SiO·AlO; СаО·АlО) верхние пределы содержания кальция, алюминия, кремния составляют, мас.%: кальция 0,001, алюминия 0,07, кремния 0,30.
Кроме того, повышению прочности и штампуемости, в том числе - после сварки, способствует улучшение качества поверхности в результате облегчения удаления окалины при содержании в стали фосфора и бора в выбранных пределах: P=0,07-0,12 мас.%, B=0,0008-0,005 мас.%, а также увеличение сопротивления окислению при добавках меди. Для защиты от окисления нижний предел этих компонентов равен, мас.%: по меди 0,01, по хрому 0,01, по никелю 0,01, по титану 0,002. Для сохранения пластичности верхний предел по меди равен 0,30 мас.%, по хрому 0,30 мас.%, по никелю 0,30 мас.%, по титану 0,02 мас.%. В заданных пределах медь, бор и титан также предотвращают сегрегацию углерода, фосфора и серы по границам ферритных зерен, вредную для прочности и пластичности.
Для обеспечения требуемых свойств сталь содержит эффективно действующие элементы в количествах, которые позволяют использовать их раздельное и совместное влияние. При этом необходимо, чтобы эти элементы, взятые вместе, находились в регулируемых количественных пределах. Так, для твердорастворного, зернистого и дисперсионного упрочнения феррита используются легирующие элементы замещения (фосфор, хром, никель) и элементы внедрения (углерод, азот). Но для сохранения пластичности и штампуемости нужно ограничить содержание углерода и азота, способствующих образованию карбидных и карбонитридных выделений. Это выражается зависимостью 5,0≥(P+Cr+Ni)/(N+C)≥1,0.
Окалиностойкость повышают элементы - кремний, хром, никель, медь. Но при увеличении их содержания может возрастать загрязненность неметаллическими включениями, жесткость, охрупчивание, ухудшается технологичность. Поэтому предложена зависимость (Si+Cr)/(Ni+Cu)≥0,5. Для увеличения свариваемости, трещиностойкости, вязкости предлагается интенсивная десульфурация и рафинирование (без ухудшения легирования) при содержании (B+Ti)/S≥0,2.
Пример конкретного исполнения.
т
B
т
B
4
R
Стали предложенного состава (таблица 1) разливали на непрерывнолитые заготовки, полученные слябы прокатывали на горячекатаные полосы (толщина 3,2 мм), проводили стыкосварку, травление, прокатывали на холоднокатаные полосы (толщина 1,0 мм), отжигали и дрессировали. Определяли механические свойства на растяжение (предел текучести σ, предел прочности σ, относительный предел текучести σ/σ, относительное удлинение δ, коэффициент пластической анизотропии R, показатель упрочения n), усталостную прочность (предел выносливости σ). Сравнивали полученные величины для готового металла (середина полосы и зона стыкосварки). Свойства горячекатаной полосы и холоднокатаного листа из низколегированной стали предложенного состава в состоянии поставки приведены в таблице 2.
На поверхности и внутри полос отсутствуют дефекты металлургического происхождения. Из горячекатаной и холоднокатаной стали изготовляли вырубкой и штамповкой детали корпуса легкового автомобиля. Все изделия выдержали натурные испытания. Технологических дефектов нет. Приведенные данные показывают, что изделия из новой стали предложенного состава в горячекатаном и холоднокатаном состоянии имеют высокий комплекс характеристик статической и усталостной прочности в состоянии после прокатки и после сварки. Это подтверждает получение заявленного технического результата изобретения.