Патент на изобретение №2307175

(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОЙ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении сталей, применяемых в автомобилестроении. Техническим результатом изобретения является повышение склонности к ВН-эффекту и коррозионной стойкости при сохранении высокой штампуемости. Технический результат достигается тем, что выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,002-0,015, кремний 0,005-0,050, марганец 0,05-0,50, фосфор 0,005-0,09, сера 0,003-0,020, медь 0,1-0,6, алюминий 0,02-0,07, азот 0,002-0,007, титан 0,0005-0,040, ниобий не более 0,060, железо и примеси, при выполнении следующих условий: С_эф.=[С]-C_Ti-С_Nb0,0006%, где С_эф. эффективное содержание углерода, не связанного титаном или ниобием; [С] – общее содержание углерода в стали; С_Ti – содержание углерода, связанного титаном: при отношении содержания титана [Ti] к содержанию [N][Ti]/[N]<3,43 С_Ti=0, при [Ti]/[N]3,43 C_Ti=([Ti]-3,43N)/4; C_Nb – содержание углерода, связанного ниобием, C_Nb=Nb/7,74; C_эф.+0,05[PJ]0,003%, где [Р] – содержание фосфора в стали, сталь разливают, подвергают горячей прокатке и сматывают в рулоны, а после смотки при необходимости проводят травление и/или дрессировку. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, к способам производства горячекатаной стали с высокими вытяжными свойствами для холодной штамповки и может быть использовано при изготовлении сталей, применяемых в автомобилестроении.

В последнее время, кроме требований обеспечения высокой штампуемости, все больше предъявляются требования к повышенному уровню прочности, в частности в результате упрочнения при сушке лакокрасочных покрытий на готовых деталях – ВН-эффекта (bake-hardening effect), а также требования к коррозионной стойкости, в частности, в условиях атмосферного воздействия. При этом в зависимости от оборудования конкретных заводов подбирается определенная система легирования стали и остальные технологические параметры производства. Очень важно выбрать оптимальный химический состав стали и другие технологические параметры, чтобы обеспечить наиболее высокий комплекс свойств стали при ее минимальной стоимости.

Известен способ производства тонколистовой горячекатаной стали, включающий горячую прокатку полос, охлаждение до температуры смотки со скоростью 9÷13°С/с, смотку, травление при 60÷80°С, дрессировку с относительным обжатием 0,5÷1,0%, при этом при содержании в стали углерода в пределах 0,01÷0,1% температуру конца прокатки принимают равной 780÷800°С (Патент РФ №2164248, МПК С21D 8/04, 20.03.2001).

Изготовленная по известному способу сталь не имеет склонности к ВН-эффекту.

Известен способ производства полос из малоуглеродистой горячекатаной стали, включающий нагрев до температуры отжига 700÷740°С, выдержку в течение 24÷95 с, охлаждение до 460÷500°С со скоростью 9,4÷36°С/с, оцинкование.

Способ направлен на предотвращение снижения комплекса механических свойств (_в=49 кг/мм², _т=35 кг/мм², ₄=38-40%) при нанесении цинкового покрытия (Патент РФ №2187561, МПК С21D 8/04, 20.08.2002).

Недостаток указанного способа заключается в том, что использование его для сталей определенного химического состава не обеспечить удовлетворительную штампуемость и требуемую величину ВН-эффекта.

Известен способ производства горячекатаных полос, включающий выплавку сверхнизкоуглеродистой стали с примесями серы и азота, легированную титаном, в которой элементы удовлетворяют соотношению

горячую прокатку, которую завершают при 885÷915°С, охлаждение полос до 685÷715°С и последующую дрессировку с обжатием 0,8÷1,2%.

Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении стабильности механических свойств и увеличении выхода годного до 99,4÷99,9% (Патент РФ №2202630, МПК С21D 8/04, 20.04.2003 – прототип).

Изготовленная по известному способу сталь не имеет склонности к ВН-эффекту.

Задачей заявленного изобретения является оптимизация химического состава и других технологических параметров производства горячекатаной стали с обеспечением технического результата в виде повышения склонности к ВН-эффекту, при сохранении высокой штампуемости.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства горячекатаной стали для холодной штамповки, включающем выплавку низкоуглеродистой стали, разливку, горячую прокатку, смотку полос в рулоны, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,002÷0,015

кремний 0,005÷0,050

марганец 0,05÷0,50

фосфор 0,005÷0,09

сера 0,003÷0,020

медь 0,1÷0,6

алюминий 0,02÷0,07

азот 0,002÷0,007

титан 0,0005÷0,040

ниобий не более 0,060

железо и неизбежные примеси остальное,

при выполнении следующих условий:

где С_эф. – эффективное содержание углерода, не связанного титаном или ниобием;

[С] – общее содержание углерода в стали;

С_Ti – содержание углерода, связанного титаном: при отношении содержания титана [Ti] к содержанию азота [N]

при

С_Nb – содержание углерода, связанного ниобием, С_Nb=Nb/7,74;

где [Р] – содержание фосфора в стали,

а после смотки при необходимости проводят травление и/или дрессировку.

Сущность изобретения сводится к следующему.

Для обеспечения высокой штампуемости и определенной величины ВН-эффекта необходимо содержание в феррите свободного углерода 6÷20 ppm. Выполнение условия (1) С_эф.=[С]-C_Ti-С_Nb0,0006% обязательно для того, чтобы перед началом охлаждения смотанного рулона углерод в количестве, равном С_эф., присутствовал в твердом растворе. При медленном охлаждении часть этого углерода может выделиться в виде цементита. Чтобы этого не произошло, необходимо выполнение условия (2) С_эф.+0,05[Р]0,003%, смысл которого сводится к следующему. Легирование стали фосфором, который снижает скорость диффузии углерода, способствует его сохранению в твердом растворе в количестве, достаточном для проявления ВН-эффекта. С увеличением содержания углерода в твердом растворе перед началом охлаждения (С_эф.) снижается минимально необходимое содержание фосфора, обеспечивающее сохранение углерода в твердом растворе. При значении С_эф.0,00275% ВН-эффект может быть получен и при минимальном содержании фосфора – 0,005%, хотя при увеличении содержания фосфора величина ВН-эффекта увеличивается. При значении С_эф.<0,00275% для обеспечения ВН-эффекта легирование фосфором обязательно тем в большей степени, чем ниже С_эф. (в соответствии с уравнением (2)). С_Ti – содержание углерода, связанного титаном: при отношении содержания титана [Ti] к содержанию азота [N][Ti]/[N]<3,43 С_Ti=0, так как весь титан будет израсходован на связывание азота, при [Ti]/[N]3,43 углерод может быть связан тем количеством титана, которое останется после связывания азота С_Ti=([Ti]-3,43N)/4 (на связывание азота будет израсходовано титана в количестве 3,43N).

Присутствие в стали меди в количестве 0,1÷0,6% обеспечивает стойкость стали против атмосферной коррозии.

Ограничение нижнего предела содержания углерода связано с тем, что при дальнейшем уменьшении содержания углерода снижается склонность к ВН-эффекту. Нижний предел содержания фосфора, серы, кремния, марганца и азота 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.

Увеличение содержания углерода, азота, серы, кремния, марганца, алюминия, а также фосфора выше верхних пределов формулы изобретения приводит к ухудшению штампуемости.

Минимальное содержание алюминия в стали определяется необходимостью связывания азота в нитрид алюминия и предотвращения склонности к естественному старению.

Минимальное содержание титана определяется требованием выделения некоторого количества азота в виде нитрида титана. Увеличение содержания титана и ниобия выше верхнего предела, помимо отрицательно влияния на штампуемость, снижения величины ВН-эффекта приводит к удорожанию стали.

Примеры конкретного выполнения способа.

Пять плавок низкоуглеродистых сталей были выплавлены в 300-тонном конвертере ОАО “Северсталь” и разлиты на установке непрерывной разливки в слябы сечением 250×1290 мм. Горячую прокатку слябов на полосы толщиной 2,0 мм проводили на стане “2000”. Температура конца прокатки составляла 850÷890°С. Полосы после душирования сматывали в рулоны при температуре 560÷700°С. После охлаждения (плавки по вариантам 1-3), охлаждения, травления и дрессировки со степенью обжатия 1,0±0,2% (плавки по вариантам 4 и 5) проводили комплексные механические испытания проката с определением величины ВН-эффекта и коррозионные испытания.

Вариант 1 – сталь, содержащая 0,008% углерода, 0,020% кремния, 0,15% марганца, 0,040% фосфора, 0,011% серы, 0,25% меди, 0,05% алюминия, 0,005% азота, 0,02% титана, 0,03% ниобия, железо и неизбежные примеси остальное, при этом выражение С_эф.=[С]-C_Ti-С_Nb=0,008-0,0007-0,0039=0,0034%>0,0006%, то есть соответствует формуле изобретения; выражение С_эф.+0,05[Р]=0,0034+0,002=0,0054%>0,003% также соответствует формуле изобретения (вариант полностью соответствует формуле изобретения).

Вариант 2 – сталь, содержащая 0,004% углерода, 0,010% кремния, 0,22% марганца, 0,050% фосфора, 0,010% серы, 0,05% меди, 0,03% алюминия, 0,003% азота, 0,01% титана, 0,025% ниобия, железо и неизбежные примеси остальное, при этом выражение С_эф.=[С]-C_Ti-C_Nb=0,004-0,0032=0,0008%>0,0006%, то есть соответствует формуле изобретения (C_Ti=0, т.к.

выражение С_эф.+0,05[Р]=0,0008+0,0025=0,0033%>0,003% также соответствует формуле изобретения (вариант не соответствует формуле изобретения по содержанию меди).

Вариант 3 – сталь, содержащая 0,006% углерода, 0,013% кремния, 0,18% марганца, 0,040% фосфора, 0,009% серы, 0,30% меди, 0,04% алюминия, 0,040% ниобия, 0,002% азота, железо и неизбежные примеси остальное, при этом выражение С_эф.=[С]-С_Ti-С_Nb=0,006-0,0052=0,0008%>0,0006%, то есть соответствует формуле изобретения (С_Ti=0, так как сталь не содержит титан); выражение С_эф.+0,05[Р]=0,0008+0,002=0,0028%<0,003%, то есть не соответствует формуле изобретения. Температура смотки, горячекатаных полос в рулоны составляла 600°С, скорость нагрева при отжиге в колпаковой печи до 450°С около 60°С/ч, затем до 550°С около 25°С/ч, далее до температуры отжига 700°С со скоростью около 35°С/ч (вариант не соответствует формуле изобретения по значению выражения (2)).

Вариант 4 – сталь, содержащая 0,006% углерода, 0,023% кремния, 0,18% марганца, 0,060% фосфора, 0,007% серы, 0,20% меди, 0,05% алюминия, 0,015% титана, 0,042% ниобия, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси остальное, при этом выражение С_эф.=[С]-С_Ti-C_Nb=0,006-0,00032-0,0054=0,00028%<0,0006%, то есть не соответствует формуле изобретения; выражение С_эф.+0,05[Р]=0,00028+0,003=0,00328%>0,003%, то есть соответствует формуле изобретения (вариант не соответствует формуле изобретения по значению выражения (1)).

Вариант 5 – сталь, содержащая 0,005% углерода, 0,009% кремния, 0,20% марганца, 0,035% фосфора, 0,012% серы, 0,25% меди, 0,03% алюминия, 0,015% титана, 0,019% ниобия, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси остальное, при этом выражение С_эф.=[С]-С_Ti-С_Nb=0,005-0,00032-0,00245=0,00223%>0,0006%, то есть соответствует формуле изобретения; выражение С_эф.+0,05[Р]=0,00223+0,00175=0,00398%>0,003%, то есть соответствует формуле изобретения (вариант полностью соответствует формуле изобретения).

Механические испытания образцов холоднокатаного проката из стали указанных плавок проводили на электромеханической испытательной машине INSTRON-1185. Размеры образца составляли 20×120 мм.

Испытания проводили в полуавтоматическом режиме с тензометром продольной деформации (база тензометра 12,5 мм). Скорость растяжения составляла 10 мм/мин.

В случае кривых растяжения без физического предела текучести величину предела текучести определяли по показаниям тензометра с учетом линейного участка диаграммы растяжения (кроме этого, для контроля использовали анализ машинной диаграммы растяжения).

Для образцов шириной 20 мм относительное удлинение ₄ определяли на базе 80 мм (A₈₀).

Испытания для определения упрочнения стали при сушке лакокрасочного покрытия (ВН-эффект) проводили в следующей последовательности:

1) образцы растягивали до величины деформации 2%, которую определяли по экстензометру (база 26 мм); при этом определяли ₂ – напряжение при деформации 2%;

2) образцы помещали в печь, нагретую до температуры 170±10°С, и выдерживали в течение 20 минут;

3) образцы испытывали на растяжение, определяя величину ВН-эффекта как разницу между пределом текучести _т (ВН) и ₂.

Результаты механических испытаний приведены в таблице. Определяли основные механические характеристики: предел текучести _т, временное сопротивление _b, относительное удлинение ₄. Критерием обеспечения требуемой штампуемости считали получение значения относительного удлинения не менее 35. При этом стремились обеспечить величину ВН-эффекта не менее 40 Н/мм².

Таблица Результаты механических испытаний сталей, полученных по использованным вариантам.
№ варианта	т, Н/мм2	в, Н/мм2	4, %	ВН-эффект, Н/мм2	Удельный прирост окалины, г/м2
1	330	470	37	50	2,3
2	350	490	35	60	8,2
3	330	460	37	0	2,0
4	320	450	38	0	2,9
5	330	490	36	55	2,2

В качестве метода коррозионных испытаний образцов холоднокатаного проката был использован способ переменного погружения образцов автолистовой стали в раствор 3,5% NaCl с пребыванием в нем 10 мин и последующим выносом на воздух (50 мин) в соответствие со стандартом ASTM G 44-75.

Коррозионную стойкость оценивали по приросту массы (привесу) на единицу площади поверхности образца за 30 циклов испытаний. Если значения прироста массы составляло не более 5 г/м², то коррозионную стойкость считали удовлетворительной.

Для стали по вариантам 1, 2 и 5 получены требуемые показатели штамлуемости и величины ВН-эффекта. При этом прочностные характеристики для варианта 2 получены выше, а значение ₄ ниже из-за более высокого содержания фосфора. Для варианта 3, несмотря на присутствие свободного углерода в твердом растворе перед началом охлаждения смотанного рулона, из-за низкого содержания фосфора, углерод выделяется при охлаждении в виде цементита, что приводит к отсутствию склонности стали к ВН-эффекту. Для варианта 4 из-за невыполнения условия (1) еще до начала охлаждения основная часть углерода оказывается связанной в карбид ниобия или титана, что приводит к отсутствию ВН-эффекта. Низкое содержание меди в стали вариант 2 не обеспечивает требуемый уровень коррозионной стойкости. Таким образом, только горячекатаная сталь, полученная по вариантам 1 и 5, соответствующим формуле изобретения, имеет высокие показатели штампуемости и величины ВН-эффекта и коррозионной стойкости.

То есть использование настоящего предложения существенно повышает величину ВН-эффекта и коррозионной стойкости горячекатаной стали при сохранении высокой штампуемости.

Формула изобретения

Способ производства горячекатаной стали для холодной штамповки, включающий выплавку низкоуглеродистой стали, разливку, горячую прокатку, смотку полос в рулоны, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

при выполнении условий

С_эф.=[С]-C_Ti-С_Nb0,0006% и С_эф+0,05[Р]0,003%,

где С_эф. – эффективное содержание углерода, не связанного титаном или ниобием;

[С] – общее содержание углерода в стали;

С_Ti – содержание углерода, связанного титаном, причем С_Ti=0 при [Ti]/[N]<3,43 и С_Ti=([Ti]-3,43N)/4 при [Ti]/[N]3,43;

C_Nb – содержание углерода, связанного ниобием, C_Nb=Nb/7,74;

[Р] – содержание фосфора в стали,

а после смотки полосы проводят травление и/или дрессировку.