СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕОЦИНКОВАННОГО ПРОКАТА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ
MANUFACTURING METHOD OF HOT-GALVANISED ROLLED METAL OF HEAVY DUTY

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности из низколегированной стали, предназначенного для изготовления деталей автомобиля методом штамповки.
Одним из определяющих качеств автолиста является его способность к вытяжке при штамповке деталей автомобиля. Холоднокатаные полосы с повышенной прочностью и высокой способностью к вытяжке в зависимости от класса прочности должны соответствовать определенному комплексу механических свойств, например, согласно требованию европейского стандарта EN 10292-04 (таблица 1).
Известен способ производства стали, содержащей не более 0,007% углерода и 0,006% азота, включающий нагрев слябов при температурах 1000-1160°С, горячую прокатку в полосы с температурой конца прокатки 620-720°С, смотку в рулоны при температурах 600-680°С, холодную прокатку с обжатиями не менее 70%, отжиг при температурах 650-900°С и дрессировку. Выдержку при отжиге холоднокатаной стали проводят в течение 5-18 минут при температурах 750-900°С в проходных печах, а выдержку в течение 11-34 часов при температурах 650-750°С в колпаковых печах [Патент РФ №2258749, МПК С21D 8/04, С21D 9/48, 20.08.2005 г.].
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 260 до 420.
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 С21D 9/48, С21D 8/04, С23С 2/40, 10.04.1999 г.].
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств классов прочности от 260 до 420.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства холоднокатаной стали для глубокой вытяжки, включающий выплавку стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод
0,002-0,008
Кремний
0,005-0,025
Марганец
0,050-0,20
Фосфор
0,005-0,025
Сера
0,003-0,012
Алюминий
0,02-0,07
Азот
0,002-0,007
Титан
0,02-0,05
Ниобий
0,001-0,080
Железо и неизбежные примеси
остальное,
разливку, горячую прокатку, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг с нанесением цинкового покрытия и дрессировку.
Горячую прокатку заканчивают при температуре, определяемой из соотношения:
кп
T≥7300/(3,0-lg[Nb][C])-253,
где Ткп - температура конца прокатки, °С,
[Nb] и [С] - содержание ниобия и углерода в стали, %,
а рекристаллизационный отжиг осуществляют в проходной печи при температуре, назначаемой в зависимости от содержания ниобия в стали в соответствии с уравнением:
отж
Т=(750+1850[Nb]±20,
отж
где Т - температура термической обработки, °С,
[Nb] - содержание ниобия в стали, мас.% [Патент РФ №2255989, МПК С21D 8/04, С22С 38/04, 10.07.2005 г.] - прототип.
Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 260 до 420.
Техническим результатом изобретения является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получение стали требуемого класса прочности.
Технический результат достигается тем, что в способе производства горячеоцинкованного проката повышенной прочности из низколегированной стали для холодной штамповки, 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 углерод - 0,05-0,10%; марганец - 0,25-0,90%; алюминий - 0,01-0,07%; азот - не более 0,009%; ниобий и/или титан - 0,01-0,08% каждого; железо 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 осуществляют при температуре 710-850°С, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%.
Согласно изобретению содержание углерода, марганца и температура отжига связаны с требуемым минимальным пределом текучести (классом прочности) зависимостями:
где [С] - содержание углерода в стали, %;
[Mn] - содержание марганца в стали, %;
отж
Т - температура рекристаллизационного отжига, °С;
пр
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.
Сущность изобретения состоит в следующем. На механические свойства холоднокатаной листовой стали влияют как химический состав стали, так и режимы деформационно-термической обработки.
Углерод - один из упрочняющих элементов. При содержании углерода менее 0,05% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,10% приводит к снижению пластичности стали, что недопустимо.
Марганец обеспечивает получение заданных механических свойств. При содержании марганца менее 0,25% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 0,90% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.
Алюминий введен в сталь как раскислитель. При содержании алюминия менее 0,01% снижается пластичность стали, сталь становится склонной к старению. Увеличение содержания алюминия более 0,07% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.
Азот упрочняет сталь. При содержании азота более 0,009%, сталь становится склонной к старению.
Ниобий и титан применены как легирующие элементы и обеспечивают получение необходимых прочностных свойств. При содержании ниобия или титана менее 0,01% не удается получить требуемый уровень прочности. Увеличение содержания ниобия или титана более 0,08% нецелесообразно вследствие чрезмерного упрочнения стали и ухудшения пластичности.
Горячая прокатка с температурами конца прокатки 840-905°С и смотки 560-690°С обеспечивает формирование оптимальной текстуры металла, которая после холодной прокатки и термообработки по предложенным режимам трансформируется в текстуру с преобладающей кристаллографической ориентировкой <111>, а также микроструктуры с высокой стабильностью и равномерностью. Ниже и выше заявленных температурных пределов технический результат не достигался, а именно сталь приобретала структуру с неблагоприятной для холодной штамповки текстурой и неравномерную микроструктуру ферритной матрицы.
В результате рекристаллизационного отжига при температуре 710-850°С формируется однородная микроструктура с баллом зерна 9-10 и минимальным выделением структурно-свободного цементита. Увеличение температуры отжига выше заявленных параметров не обеспечивает необходимый уровень механических свойств. Снижение температуры отжига ниже 710°С в проходных печах приводит к появлению в микроструктуре отдельных прерывистых строчек рекристаллизованных зерен, что ухудшает штампуемость листовой стали.
Окончательно механические свойства формируются при дрессировке. Дрессировка полос с обжатием 0,8-2,1% обеспечивает оптимальный уровень механических свойств, Обжатие менее 0,8% приводит к появлению площадки текучести на диаграмме растяжения при испытании на разрыв. Дрессировка с обжатием не более 2,1% ограничена техническими возможностями дрессировочного стана.
пр
пр
отж.
пр
·
Экспериментально установлено, что для получения требуемого класса прочности содержание углерода и марганца должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями: [С]=[0,0416•ln(К)-0,167]±0,015, % и [Мn]=(0,0016•К+0,034)±0,20, %, а температура отжига - в соответствии с выражением Т≥(900-0,455К), °С.
Примеры реализации способа.
В кислородном конвертере выплавили низколегированные стали, химический состав которых приведен в таблице 2.
Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы сечением 250×1280 мм. Слябы нагревали в нагревательной печи с шагающими балками до температуры 1250°С в течение 3,2 часа и прокатывали на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 2,5-3,5 мм. Температура полос на выходе из последней клети стана регламентирована. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге охлаждали водой до определенных температур и сматывали в рулоны. Охлажденные рулоны подвергали солянокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате. Затем травленые полосы прокатывали на 5-клетевом стане до толщины 1,0-2,0 мм. Холоднокатаные полосы отжигали в проходных печах с нанесением цинкового покрытия. Отожженные полосы дрессировали с заданным обжатием.
В таблице 3 приведены варианты реализации способа производства горячеоцинкованного проката, а также показатели механических свойств.
В таблицах 4-6 указано необходимое содержание углерода, марганца и температура отжига согласно зависимостей (1)-(3).
Таблица 2Химический состав низколегированных сталей
№ состава
Содержание элементов, мас.%
С
Mn
Al
N
Nb
Ti
Fe и неизбежные примеси
1
0,03
0,20
0,05
0,006
0,008
0,003
Остальное
2
0,05
0,25
0,01
0,005
-
0,025
Остальное
3
0,07
0,55
0,04
0,006
0,010
-
Остальное
4
0,08
0,66
0,04
0,006
0,025
0,010
Остальное
5
0,09
0,74
0,06
0,009
0,030
0,080
Остальное
6
0,10
0,90
0,07
0,006
0,080
0,025
Остальное
7
0,11
0,98
0,08
0,010
0,085
0,003
Остальное
8 (прототип)
0,008
0,18
0,04
0,005
0,08
0,02
Остальное
Таблица 4Минимальное и максимальное содержание углерода, рассчитанное согласно зависимости [С]=[0,0416•ln(К<sub>пр</sub>)-0,167]±0,015, %
№ состава
Содержание С, мас.%
Требуемый класс прочности К<sub>пр</sub>
Содержание С, мас.% согласно зависимости [С]=[0,0416•ln(К<sub>пр</sub>)-0,167]±0,015, %
C<sub>min</sub>
С<sub>max</sub>
1
0,03
260
0,049
0,079
2
0,05
260
0,049
0,079
3
0,07
300
0,055
0,085
4
0,08
340
0,061
0,091
5
0,09
380
0,065
0,095
6
0,10
420
0,069
0,099
7
0,11
420
0,069
0,099
8 (прототип)
0,008
260
0,045
0,085
Таблица 5Минимальное и максимальное содержание марганца, рассчитанное согласно зависимости [Мn]=(0,0016•К<sub>пр</sub>+0,034)±0,20, %
№ состава
Содержание Мn, мас.%
Требуемый класс прочности К<sub>пр</sub>
Содержание Мn, мас.% согласно зависимости [Мn]=(0,0016•К<sub>пр</sub>+0,034)±0,20, %
Mn<sub>min</sub>
Мn<sub>max</sub>
1
0,20
260
0,25
0,65
2
0,25
260
0,25
0,65
3
0,55
300
0,314
0,714
4
0,66
340
0,378
0,778
5
0,74
380
0,442
0,842
6
0,90
420
0,506
0,906
7
0,98
420
0,506
0,906
8 (прототип)
0,18
260
0,25
0,65
Таблица 6Температура рекристаллизационного отжига Т<sub>отж</sub>, рассчитанная согласно зависимости Т<sub>отж.</sub>≥(900-0,455<sup>·</sup>К<sub>пр</sub>), °С
№ состава
Температура рекристаллизационного отжига, °С
Требуемый класс прочности К<sub>пр</sub>
Температура отжига Т<sub>отж</sub> согласно зависимости Т<sub>отж.</sub>≥(900-0,455<sup>·</sup>К<sub>пр</sub>), °С
не менее
1
860
260
781,7
2
850
260
781,7
3
810
300
763,5
4
790
340
745,3
5
750
380
727,1
6
710
420
708,9
7
705
420
708,9
8 (прототип)
750-880
260
781,7
Из таблиц 2-6 видно, что в случае реализации предложенного способа (составы №2-6) и выполнения зависимостей (1)-(3) достигаются механические свойства с классами прочности от 260 до 420. При запредельных значениях заявленных параметров (составы №1 и 7) и использовании способа-прототипа классы прочности от 260 до 420 не достигаются: для состава №1 классу прочности 260 не соответствуют предел текучести и предел прочности; для состава №7 классу прочности 420 не соответствует относительное удлинение; для способа-прототипа (состав №8) классу прочности 260 не соответствует предел текучести.
Из проката изготавливали штамповкой высоконагруженные детали автомобиля, такие как усилители корпуса и несущие детали рамы автомобиля; замечаний к штамповке у потребителя не было.