СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОГО ПРОКАТА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ
MANUFACTURING METHOD OF HOT-ROLLED MILL PRODUCTS OF HEAVY-DUTY

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячекатаного 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. Горячекатаные полосы с повышенной прочностью и высокой способностью к вытяжке в зависимости от класса прочности должны соответствовать определенному комплексу механических свойств, например, согласно требованиям европейского стандарта EN 10149 (таблица 1):
Таблица 1
Класс прочности*
Марка
Минимальный предел текучести (R<sub>еH</sub>), Н/мм<sup>2</sup>
Временное сопротивление (R<sub>m</sub>), Н/мм<sup>2</sup>
Минимальное относительное удлинение А, %
<3 мм L<sub>c</sub>=80 мм
>3 мм L<sub>c</sub>=5,65√S<sub>0</sub>
315
S315MC
315
390-510
20
24
355
S355MC
355
430-550
19
23
420
S420MC
420
480-620
16
19
460
S460MC
460
520-670
14
17
500
S500MC
500
550-700
12
14
Примечание: *Класс прочности заложен в наименование марки по EN 10292-04. Числовое значение соответствует минимальному пределу текучести.
Известен способ производства горячекатаных полос из стали с содержанием углерода до 0,1 вес.%, в котором при горячей прокатке температуру конца прокатки принимают равной 860-890°С, душирование полос начинают через 7-9 с после конца прокатки, а температуру смотки принимают равной 640-700°С, при этом дрессировку полос для получения их матовой поверхности осуществляют в валках с высотой микронеровностей бочек Ra=2,2-2,7 мкм и для получения шероховатостей поверхности - с Ra=2,9-4,0 мкм [Патент РФ №2255990, МПК С21D 8/04, 10.07.2005 г.].
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 315 до 500.
Известен способ производства горячекатаных полос из стали с содержанием углерода в пределах 0,01-0,1%, в котором при горячей прокатке температуру конца прокатки принимают равной 780-800°С, охлаждение до температуры смотки ведут со скоростью 9-13 град/с, травление ведут при 60-80°С, а дрессировку проводят с относительным обжатием 0,5-1,0% [Патент РФ №2164248, МПК С21D 8/04, С21D 9/46, 20.03.2001 г.].
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств классов прочности от 315 до 500.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства горячекатаных полос, включающий выплавку сверхнизкоуглеродистой стали с примесями серы и азота, легированной титаном с содержанием элементов, удовлетворяющим соотношению Ti/(4·C+3,43·N+1,5·S)=1÷1,5, при котором горячую прокатку завершают при температуре 885-915°С, охлаждение ведут до температуры 685-715°С, затем полосы подвергают дрессировке с обжатием 0,8-1,2% [Патент РФ №2202630, МПК С21D 8/04, 20.04.2003 г.] - прототип.
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 315 до 500.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получение горячекатаного проката требуемого класса прочности.
Технический результат достигается тем, что в способе производства горячекатаного проката повышенной прочности, включающем выплавку низколегированной стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую углерод 0,045-0,12%, кремний - не более 0,50%, марганец - 0,35-1,15%, алюминий - 0,01-0,09%, азот - не более 0,010%; ниобий и/или титан - 0,01-0,08% каждого, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 510-640°С. Сталь может дополнительно содержать ванадий в количестве 0,01-0,08%, а также кальций в количестве 0,0005-0,010%, при этом суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не должно превышать 0,117 мас.%.
Согласно изобретению содержание углерода, марганца и суммарное содержание ниобия, титана и ванадия связаны с требуемым классом прочности соотношениями:
где [С] - содержание углерода в стали, %;
[Mn] - содержание марганца в стали, %;
[Nb+Ti+V] - суммарное содержание ниобия, титана, ванадия, %;
0,0002, 0,002, 0,0022, 0,15, 0,013 - эмпирические коэффициенты, %;
пр
К - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести.
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 0,045% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,12% приводит к снижению пластичности стали, что недопустимо.
Кремний в стали применен как раскислитель и легирующий элемент. При содержании кремния в стали более 0,50% резко снижается пластичность, имеет место охрупчивание стали.
Марганец обеспечивает получение заданных механических свойств. При содержании марганца менее 0,35% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,15% 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 0,09% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.
Азот упрочняет сталь. При содержании азота более 0,010% сталь становится склонной к старению.
Ниобий, титан и ванадий применены как легирующие элементы и обеспечивают получение необходимых прочностных свойств. При содержании ниобия, титана, ванадия менее 0,01% не удается получить требуемый уровень прочности. Увеличение содержания ниобия, титана или ванадия более 0,08% нецелесообразно вследствие чрезмерного упрочнения стали и ухудшения пластичности.
Кальций применен в пределах 0,0005-0,010% как высокоактивный элемент для усиливающего раскисляющего действия алюминия и удаления из расплава в шлак фосфора, серы, кислорода, что приводит к изменению фазового состава и улучшения формы (глобулязации) оксидных включений, а также уменьшению их количества.
Горячая прокатка с температурами конца прокатки 830-880°С и смотки 510-640°С обеспечивает формирование оптимальной текстуры металла 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.
Экспериментально установлено, что верхний предел суммарного содержания ниобия, титана и ванадия ограничен значением 0,117%. При увеличении суммарного содержания [Nb+Ti+V] более 0,117% ухудшается пластичность проката из-за чрезмерного упрочнения стали.
пр
пр
пр
Экспериментально установлено, что для получения требуемого класса прочности содержание углерода, марганца, а также суммарного содержания ниобия, титана и ванадия должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями: [С]=(0,0002·К+0,002)±0,02, %; [Мn]=(0,0022·К-0,15)±0,20, %; [Nb+Ti+V]=(0,0002·К-0,013)±0,03, %.
Примеры реализации способа
В кислородном конвертере выплавляли 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 2,5-3,5 часов 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.
Таблица 2Химический состав низколегированных сталей
№ состава
Содержание элементов, мас.%
С
Si
Mn
Al
N
Nb
Ti
V
Са
Fe и неизбежные примеси
1
0,03
0,03
0,30
0,05
0,006
0,004
0,003
0,003
0,0002
Ост.
2
0,045
0,003
0,35
0,05
0,005
0,010
0,005
0,005
0,0005
Ост.
3
0,07
0,20
0,70
0,01
0,005
0,030
0,010
0,005
0,005
Ост.
4
0,08
0,42
0,82
0,04
0,010
0,002
0,002
0,080
0,010
Ост.
5
0,09
0,45
0,93
0,05
0,006
0,003
0,080
0,013
0,0004
Ост.
6
0,12
0,50
1,15
0,09
0,005
0,080
0,025
0,010
0,0007
Ост.
7
0,13
0,55
1,20
0,05
0,011
0,085
0,015
0,025
0,011
Ост.
8 (прототип)
0,003
-
-
-
0,005
-
0,051
-
-
Ост.
Примечание: состав №8 содержит серу в количестве 0,008 мас.%
В таблице 3 приведены варианты реализации способа производства горячекатаного проката, а также показатели механических свойств.
Таблица3Технологические параметры производства горячительного проката и показатели механических свойств
№ состава
Температура конца прокатки Т<sub>кп</sub>,°С
Температура смотки Т<sub>см</sub>, °С
Предел текучести σ<sub>т</sub> (R<sub>eH</sub>), Н/мм<sup>2</sup>
Предел прочности σ<sub>в</sub>, (R<sub>m</sub>), Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение δ<sub>80</sub>, (А), %
1
885
665
280
350
29
2
880
640
345
405
26
3
855
620
380
455
23
4
845
580
435
505
21
5
840
550
475
530
17
6
830
510
515
560
14
7
827
505
530
580
10
8 (прототип)
900
700
230-235
340-345
δ<sub>10</sub>38
В таблицах 4-6 указано необходимое содержание углерода, марганца и [Nb+Ti+V] согласно зависимостям (1), (2), (3).
Таблица 4Минимальное и максимальное содержание углерода, рассчитанное согласно зависимости [C]=(0,0002·K<sub>пр</sub>+0,002)±0,02, %
№ состава
Содержание С, мас.%
Требуемый класс прочности К<sub>пр</sub>
Содержание С, мас.% согласно зависимости [С]=(0,0002·К<sub>пр</sub>+0,002)±0,02, %
C<sub>min</sub>
C<sub>max</sub>
1
0,03
315
0,045
0,085
2
0,045
315
0,045
0,085
3
0,07
355
0,053
0,093
4
0,08
420
0,066
0,106
5
0,09
460
0,074
0,114
6
0,12
500
0,082
0,122
7
0,13
500
0,082
0,122
8 (прототип)
0,03
315
0,045
0,085
Таблица 5Минимальное и максимальное содержание марганца, рассчитанное согласно зависимости [Mn]=(0,0022·K<sub>пр</sub>-0,15)±0,20, %
№ состава
Содержание Мn, мас.%
Требуемый класс прочности K<sub>пр</sub>
Содержание Мn, мас.% согласно зависимости [Мn]=(0,0022·К<sub>пр</sub>-0,15)±0,20, %
Mn<sub>min</sub>
Mn<sub>max</sub>
1
0,30
315
0,343
0,743
2
0,35
315
0,343
0,75
3
0,70
355
0,431
0,831
4
0,82
420
0,574
0,974
5
0,93
460
0,662
1,062
6
1,15
500
0,75
1,15
7
1,20
500
0,75
1,15
8 (прототип)
-
315
0,343
0,743
Таблица 6Минимальное и максимальное содержание [Nb+Ti+V], рассчитанное согласно зависимости [Nb+Ti+V]=(0,0002·K<sub>пр</sub>-0,013)±0,03, %
№ состава
Содержание [Nb+Ti+V], мас.%
Требуемый класс прочности К<sub>пр</sub>
Содержание (Nb+Ti+V), мас.% согласно зависимости [Nb+Ti+V]=(0,0002·К<sub>пр</sub>-0,013)±0,03, %
[Nb+Ti+V]<sub>min</sub>
[Nb+Ti+V]<sub>max</sub>
1
0,01
315
0,02
0,08
2
0,02
315
0,02
0,08
3
0,045
355
0,028
0,088
4
0,084
420
0,041
0,101
5
0,096
460
0,049
0,109
6
0,015
500
0,057
0,117
7
0,125
500
0,057
0,117
8 (прототип)
0,051
315
0,02
0,08
Из таблиц 2-6 видно, что в случае реализации предложенного способа (составы №2-6) и выполнении зависимостей (1)-(3) достигаются механические свойства с классами прочности от 315 до 500. При запредельных значениях заявленных параметров (составы №1 и 7) и использовании способа-прототипа (состав №8) классы прочности от 315 до 500 не достигаются: для состава №1 классу прочности 315 не соответствует предел текучести и предел прочности; для состава №7 классу прочности 500 не соответствует относительное удлинение; для способа-прототипа (состав №8) классу прочности 315 не соответствует предел текучести и предел прочности.
Из проката изготавливали штамповкой высоконагруженные детали автомобиля, замечаний к штамповке у потребителя не было.