СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОДОДНОКАТАННОГО ВЫСОКОПРОЧНОГО ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
METHOD FOR PRODUCING WILD-ROLLED HIGH-STRENGTH SHEETS FROM LOW-ALLOY STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам производства холоднокатаного высокопрочного проката из низколегированных сталей, который может быть использован в автомобильной промышленности.
Высокопрочный прокат из низколегированных (микролегированных) сталей (сталей типа HSLA) активно используют в мировом и отечественном автомобилестроении, в частности прокат из стали классов прочности 300, 340 и 380. Как правило, для каждого класса прочности используют сталь определенного химического состава, а переход к более высоким классам прочности осуществляется путем повышения содержания в стали марганца и ниобия. Таким образом, отсутствуют кассетные технологии производства из высокопрочных автолистовых сталей одного химического состава холоднокатаного проката разных категорий прочности, что затрудняет выполнение малых заказов. Кроме того автомобилестроительные предприятия заинтересованы в повышении пластичности производимого проката, а также стабильности значений прочностных характеристик в пределах одного класса прочности.
Известен способ производства полосы из конструкционной HSLA стали класса 340 МПа. Сталь содержит, масс. %: от 0,06 до 0,07 С, от 0,5 до 0,65 Мп, меньше или равно 0,025 Si, 0,015-0,025 Р, меньше или равно 0,010 S, 0,03-0,05 Als, 0,0010-0,0040 N, 0,025-0,035 Nb, меньше или равно 0,006 О, железо и неизбежные примеси. - остальное. При производстве используются следующие параметры процесса: температура нагрева заготовки 1200±30°С, температура конца прокатки 900±20°С, температура смотки 600±20°С, степень обжатия при холодной прокатке от 70 до 75%, температура колпакового отжига 670±10°С.Относительное удлинение при дрессировке составляет 0,8%. В соответствии с изобретением, благодаря разумной концентрации компонентов и оптимизации производственного процесса, изготовленная стальная полоса обладает превосходными механическими свойствами, имеет предел текучести более или равный 340 МПа, предел прочности при растяжении, превышающий или равный 420 МПа, и высокое удлинение А80% больше или равно 28, и приносит значительные экономические выгоды. Однако известным способом невозможно производство холоднокатаного проката разных категорий прочности из высокопрочных автолистовых сталей одного химического состава.
(Заявка на изобретение CN 103469065(A), C21D 8/02, С22С 38/12, опубликована 25.12.2013).
Известен способ производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей автомобиля методом штамповки. В данном способе, включающем выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг с нанесением цинкового покрытия и дрессировку, согласно изобретению, выплавляют сталь, содержащую, масс. %: С - 0,05-0,10, Mn - 0,25-0,90, Al - 0,01-0,07, N - не более 0,009, Nb и/или Ti - 0,01-0,08 каждого, Fe и неизбежные примеси - остальное. Температуру конца горячей прокатки поддерживают в диапазоне 840-905°С, а температуру смотки горячекатаных полос - в диапазоне 560-690°С, рекристаллизационный отжиг ведут при 710-850°С, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%. Содержание С, Мп и температура отжига связаны с требуемым минимальным пределом текучести (классом прочности) зависимостями:
пр
[С]=(0,0416 ⋅ ln(К)-0,167)±0,015;
[Mn]=(0,0016⋅Кпр+0,034)±0,20;
отж
пр
Т≥(900-0,455⋅К),
отж
пр
2
где [С] - содержание углерода в стали, %; [Mn] - содержание марганца в стали, %; Т - температура рекристаллизационного отжига, °С; К - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести; 0,0416; 0,167; 0,0016; 0,034 - эмпирические коэффициенты, %; 900; 0,455 - эмпирические коэффициенты, °С. Способ обеспечивает повышенные прочностные характеристики стали при сохранении штампуемости, а также получение стали требуемого класса прочности, соответствующего требуемому минимальному пределу текучести (от 260 до 420 Н/мм). Недостатком данного способа является то, что для каждого класса прочности требуется не только различные температуры отжига, но и различный химический состав стали - содержание углерода и марганца. Кроме того, такой прокат имеет низкую пластичность, что связано как со слишком высоким содержанием марганца, так и со сравнительно низкими температурами отжига.
(Патент на изобретение RU 2361935 C1 C21D 8/04, C21D 9/48, С22С 38/06, С23С 2/04, опубликован 20.07.2009)
пр
пр
отж
пр
пр
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ производства холоднокатаного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей автомобиля методом штамповки. Для повышения прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получения стали требуемого класса прочности (класс прочности соответствует требуемому минимальному пределу текучести) способ включает выплавку стали, разливку слябов, горячую прокатку слябов в полосы, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи и дрессировку, при этом выплавляют сталь, содержащую, масс. %: С - 0,05-0,10, Si - не более 0,30, Mn - 0,25-1,20, Al - 0,01-0,07, N - не более 0,009, Nb и/или Ti - 0,01-0,08, Fe и неизбежные примеси - остальное, температура конца горячей прокатки 820-875°С, смотку горячекатаных полос ведут при 510-640°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при 600-700°С, продолжительность рекристаллизационного отжига в колпаковой печи составляет 9-21 час, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%. Содержание С, Mn и температура отжига связаны с минимальным пределом текучести (классом прочности) зависимостями: [C]=[0,0416⋅ln(К)-0,167]±0,015, %; [Mn]=(0,0035⋅К-0,46)±0,20, %; T≥(810-0,5⋅К), °С, где [С], [Mn] - содержание углерода и марганца в стали, %; К - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести; 0,0416; 0,167; 0,0035; 0,46 - эмпирические коэффициенты, %; 810; 0,5 - эмпирические коэффициенты °С Техническим результатом изобретения - прототипа является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получение стали требуемого класса прочности от 260 до 420.
(RU Патент на изобретение 2358025 C21D 8/04 C21D 9/48 С22С 38/06, опубликован 10.06.2009 - прототип).
Недостатком известного способа является то, что для проката каждого класса прочности требуется различное содержание углерода и марганца, т.е. различный химический состав, а также различные температуры отжига. Такой прокат имеет низкую пластичность, что связано как со слишком высоким содержанием марганца, так и со сравнительно низкими температурами отжига. Кроме того, такой прокат непригоден для непрерывного отжига.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение повышения пластичности, а также расширение технологических возможностей способа производства холоднокатаного проката повышенной прочности путем получения из стали одинакового химического состава проката различных классов прочности, т.е. создание кассетной технологии.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства холоднокатаного высокопрочного проката из низколегированной стали, включающем выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг, согласно изобретению, выплавляют сталь, содержащую, масс. %: С - 0,05-0,07, Mn - 0,35-0,60, Si 0,02-0,07, Al - 0,03-0,06, N - не более 0,007, Nb - 0,025-0,035, Fe и неизбежные примеси -остальное, температуру конца горячей прокатки рассчитывают в соответствии с зависимостью:
,
кп.
пр
где Т - температура конца прокатки, °С, К - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести, выраженному в МПа; 0,5 и 670 - эмпирические коэффициенты, °С,
температуру смотки горячекатаных полос поддерживают в диапазоне 560-620°С, а температуру рекристаллизационного отжига рассчитывают в соответствии с зависимостью:
отж
пр
где Т - температура рекристаллизационного отжига, °С, К - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести, выраженному в МПа; - 0,625 и 962,5 - эмпирические коэффициенты, °С,
причем рекристаллизационный отжиг осуществляют при обработке холоднокатаного проката в агрегате непрерывного отжига, в котором окончание ускоренного охлаждения и начала перестаривания для проката с минимальным значением предела текучести 300 МПа и 340 Мпа осуществляют при температуре, находящейся в интервале 360-380°С, а для проката с минимальным значением предела текучести 380 МПа - в интервале 400-420°С.
Сущность изобретения заключается в том, что обеспечение необходимого комплекса механических свойств холоднокатаного проката низколегированной стали классов прочности 300, 340 и 380, включающего предел прочности, предел текучести и относительное удлинение, достигается использованием определенного химического состава и способа получения. Обеспечение требуемого комплекса свойств такого проката достигается соблюдением определенного содержания основных элементов, влияющих на свойства, масс. %: С - 0,05-0,07, Mn - 0,35-0,60, Si 0,02-0,07, Al - 0,03-0,06, N - не более 0,007, Nb - 0,025-0,035. В отличие от прототипа, согласно изобретению, переход от одного класса прочности к другому достигается путем управления температурой конца прокатки и технологическими параметрами обработки в агрегате непрерывного отжига (АНО) на стали одного химического состава для трех указанных классов прочности.
Нижний предел содержания таких элементов, как углерод, марганец, кремний и ниобий, определяется необходимостью обеспечения повышенной прочности. Превышение верхнего предела содержания указанных элементов, а также алюминия и азота приводит к снижению пластичности.
Обеспечение содержания алюминия в стали не менее 0,03% гарантирует высокую степень раскисленности стали.
Повышение температуры конца прокатки приводит к меньшему формированию выделений карбонитрида ниобия в процессе горячей прокатки в виде субмикронных выделений. Это способствует более интенсивному формированию в процессе охлаждения смотанного горячекатаного рулона и/или при отжиге холоднокатаного проката в АНО его наноразмерных выделений, вызывающих дисперсионное твердение. Поэтому увеличение температуры конца прокатки при повышении требований к классу прочности холоднокатаного проката в соответствии с зависимостью (1) является важным условием обеспечения требуемых прочностных характеристик. При этом смотка горячекатаных полос в интервале температур 560-620°С способствует формированию большого количества наноразмерных выделений уже в горячекатаном прокате, управлять размерами и количеством которых можно в процессе отжига.
отж
уо
нп
Основными технологическими параметрами обработки в АНО, влияющими на свойства, являются температура отжига Т, температура окончания ускоренного охлаждения перед входом в камеру перестаривания Т и температура полосы на выходе из первой секции перестаривания Т. Повышение температуры отжига приводит к укрупнению зерна из-за более полного протекания процессов рекристаллизации, а также к укрупнению наноразмерных выделений карбонитрида ниобия, вызывающих дисперсионное твердение. С этими структурными изменениями связано снижение прочности и повышение пластичности с увеличением температуры отжига. Поэтому для перехода к более высокому классу прочности температуру отжига следует снижать в соответствии с зависимостью (2).
Более низкие температуры отжига, чем рассчитанные по зависимости (2), приводят к получению низких значений относительного удлинения, более высокие - к получению недостаточно высоких прочностных характеристик.
уо
нп
Кроме температуры отжига на свойства влияют параметры низкотемпературной обработки в АНО, контролирующие перераспределение углерода из твердого раствора, связанное с уменьшением его растворимости в феррите при снижении температуры. К таким параметрам относится температура окончания ускоренного охлаждения Т, а также температура полосы на выходе из первой секции перестаривания Т. Эти температуры определяют возможность протекания процессов старения, приводящих к повышению прочностных характеристик, при некотором снижении пластичности. При низких значениях указанных температур (не выше 360°С) указанные процессы не успевают пройти из-за низкой диффузионной подвижности углерода, что обеспечивает высокие показатели пластичности. В то же время для проката класса прочности 380 с целью дополнительного повышения прочности следует назначать указанные температуры в интервале 400-420°С.
Примеры конкретного выполнения способа. Стали двух составов были получены при лабораторной выплавке в вакуумной индукционной печи. В таблице 1 приведен химический состав стали.
Горячую прокатку полученных слитков на толщину 3 мм производили по режиму: температура нагрева 1150°С, температура окончания прокатки Ткп=797-892°С.После окончания прокатки полосу охлаждали до температуры Тсм=580°С и далее выдерживали в печи, нагретой до такой же температуры, в течение 1 ч с последующим охлаждением с печью (имитация охлаждения смотанного рулона).
Полученные горячекатаные полосы подвергали травлению для удаления окалины и холодной прокатки на толщину 1 мм (суммарное обжатие 66%).
Из полученных холоднокатаных полос изготавливали образцы для проведения моделирующей термической обработки на исследовательском комплексе Gleebl 3800. Термическая обработка заключалась в нагреве до температуры отжига, в интервале 708-798°С, выдержке при этой температуре в течение 200 с, замедленном охлаждении до 690°С (скорость охлаждения около 1°С/с), ускоренном охлаждении (скорость охлаждения около 30°С/с) до температуры окончания ускоренного охлаждения и начала перестаривания в интервале 360-420°С в течение 550 с, и последующем охлаждении до комнатной температуры (скорость охлаждения около 10°С/с).
Результаты механических испытаний сталей вариантов А и Б после моделирования отжига по различным режимам, соответствующих и не соответствующих формуле изобретения, с целью проверки возможности обеспечения уровня свойств проката классов прочности 300, 340 и 380 приведены в таблице 2. В таблице приведены также диапазоны значений параметров Ткп и Тотж, рассчитанные, соответственно, по зависимостям (1) и (2), диапазоны значений параметра Туо, рекомендованные в соответствии с формулой изобретения, а также требования EN 10268 к свойствам проката указанных классов прочности. Значения параметров, не соответствующих формуле изобретения, выделены жирным курсивом. Курсивом выделены также фактические значения прочностных характеристик, не удовлетворяющих требованиям EN 10268, а также значения относительного удлинения, находящиеся на нижнем пределе предъявляемых требований. Условно принято, что недостаточно высокая пластичность получена, когда относительное удлинение составляет менее 29% для класса прочности 300, менее 26% - для класса прочности 340 и менее 23% для класса прочности 380. Именно такие значения выделены в таблице жирным курсивом.
Для стали варианта А показатели прочности и пластичности, соответствующий EN 10268, достигаются при обработке образцов по режимам, соответствующим формуле изобретения (режимы A1, А7, А13). Для стали варианта Б с низким содержанием марганца, не соответствующем формуле изобретения, у образца варианта Б7 значение предела текучести оказалось ниже уровня, требуемого для класса прочности 340. Для этой же стали значения предела текучести проката классов прочности 300 и 380 (варианты Б1 и Б13) оказались на нижнем пределе предъявляемых требований. Уровень пластичности стали Б в среднем оказался несколько выше, чем у стали А, но значения прочностных характеристик существенно ниже. Очевидно, что для гарантированного получения уровня свойств, соответствующего трем классам прочности - 300, 340 и 380, должны использоваться стали с химическим составом, соответствующим формуле изобретения.
Снижение температуры Ткп, по отношению к интервалам, рассчитанным по зависимости 1 (режимы А2, Б2, А8, Б8, А14, Б14), приводит к снижению предела текучести ниже предъявляемых требований. Напротив, повышение температуры Ткп по отношению к интервалам, рассчитанным по зависимости 1 (режимы A3, Б3, А9, Б9, А15, Б15), приводит к получению высоких значений прочностных характеристик, но при этом значения относительного удлинения находятся существенно ближе к нижнему пределу предъявляемых требования, чем после обработке по режимам, соответствующим формуле изобретения.
Повышение температуры Тотж по отношению к интервалам, рассчитанным по зависимости 2 (режимы А4, Б4, А10, Б10, А16, Б16), приводит к снижению прочностных характеристик ниже предъявляемых требований. Снижение температуры Тотж по отношению к интервалам, рассчитанным по зависимости 2 (режимы А5, Б5, АН, Б11, А17, Б17), обеспечивает получение требуемого уровня прочностных характеристик, однако пластичность при этом существенно ниже, чем после отжига при более высоких температурах.
Для проката классов прочности 300 и 340 при использовании температур окончания ускоренного охлаждения и начала перестаривания выше заявленных в формуле изобретения (360-380°С) (режимы А6, Б6, А12 и Б12) наблюдается некоторое повышение прочности, но при этом снижается пластичность. Для проката класса прочности 380 использование таких низких температур окончания ускоренного охлаждения и начала перестаривания не позволяет получить требуемый уровень предела текучести. Назначение указанных температур в соответствии с формулой изобретения (400-420°С) (режимы А18, Б18) является обязательным условием получения требуемого уровня предела текучести проката класса прочности 380.
Таким образом, на образцах холоднокатаного проката из стали заявленного состава требуемый для трех классов прочности 300, 340 и 380 комплекс свойств, а также стабильный повышенный уровень пластичности, обеспечивается при выполнении требований по режиму производства проката, изложенному в формуле изобретения.