Патент на изобретение №2313582

(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 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 0,05-1,0, фосфор 0,005-0,09, сера 0,003-0,020, 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: С_эф.=[С]-С_Ti-C_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 азота [N] [Ti]/[N]<3,43 С_Ti=0, при [Ti]/[N]3,43 С_Ti={[Ti]-3,43N}/4; С_Nb – содержание углерода, связанного ниобием, C_Nb=Nb/7,74; C_эф.+0,05[P]0,003%, где [Р] – содержание фосфора в стали, ведут разливку стали, горячую прокатку, смотку полос в рулоны, а после смотки при необходимости проводят травление и/или дрессировку и при необходимости после травления проводят термическую обработку и нанесение покрытия. 1 з.п. ф-лы, 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). 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 обеспечивает 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 C21D 8/04, 20.04.2003 – прототип).

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

Задачей данного 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÷1,0

фосфор 0,005÷0,09

сера 0,003÷0,020

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;

C_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 С_Ti=([Ti]-3,43N)/4;

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, а также тем, что при необходимости после травления проводят термическую обработку и нанесение покрытия.

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]-С_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)). C_Ti – содержание углерода, связанного титаном: при отношении содержания титана [Ti] к содержанию [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 C_Ti=([Ti]-3,43N)/4 (на связывание азота будет израсходовано титана в количестве 3,43N). При этом ВН-эффект будет обеспечен и в горячекатаном состоянии и после нанесения покрытия, например цинкового.

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 предотвращение 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, ломимо отрицательного влияния на штампуемость, снижения величины ВН-эффекта приводит к удорожанию стали.

Примеры конкретного выполнения способа.

Четыре плавки 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. Полосы трех плавок (варианты 1, 3, 4) после охлаждения подвергали травлению и дрессировке, полосы одной плавки (вариант 2) – травлению, термической обработке и нанесению цинкового покрытия в агрегате цинкования, далее дрессировке. Температура отжига в агрегате цинкования составляла 700÷750°С, далее следовало охлаждение со скоростью 10°С/с до температуры цинкования 450°С, после цинкования полосы охлаждали на воздухе. После дрессировки со степенью обжатия 1,0±0,2% проводили комплексные механические испытания проката с определением величины ВН-эффекта.

Вариант 1 – сталь, содержащая 0,008% углерода, 0,010% кремния, 0,18% марганца, 0,011% фосфора, 0,012% серы, 0,04% алюминия, 0,005% азота, 0,02% титана, 0,03% ниобия, железо и неизбежные примеси остальное, при этом выражение С_эф.=[С]-С_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+0,00055=0,00395%>0,003% также соответствует формуле изобретения (вариант полностью соответствовал п.1 формулы изобретения).

Вариант 2 – сталь, содержащая 0,004% углерода, 0,013% кремния, 0,58% марганца, 0,050% фосфора, 0,009% серы, 0,02% алюминия, 0,003% азота, 0,01% титана, 0,025% ниобия, железо и неизбежные примеси остальное, при этом выражение С_эф.=[С]-С_Ti-С_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 полностью соответствовал п.п.1, 2 формулы изобретения).

Вариант 3 – сталь, содержащая 0,006% углерода, 0,011% кремния, 0,15% марганца, 0,015% фосфора, 0,006% серы, 0,04% алюминия, 0,04% 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+0,00075=0,00155%<0,003%, то есть не соответствует формуле изобретения (вариант не соответствует формуле изобретения по значению выражения (2)).

Вариант 4 – сталь, содержащая 0,006% углерода, 0,013% кремния, 0,15% марганца, 0,060% фосфора, 0,007% серы, 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-С_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)).

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
1	220	350	38	40
2	270	370	35	45
3	220	340	38	0
4	270	370	35	0

Для стали по вариантам 1 и 2 получены требуемые показатели штампуемости и величины ВН-эффекта. При этом прочностные характеристики для варианта 2 получены выше, а значение ₄ ниже из-за влияния цинкового покрытия и более высокого содержания фосфора и марганца. 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. Таким образом, только горячекатаная сталь, полученная по вариантам 1 и 2, соответствующим формуле изобретения, имеет высокие показатели штампуемости и величины ВН-эффекта.

То есть использование настоящего изобретения существенно повышает величину ВН-эффекта стали при сохранении высокой штампуемости.

Формула изобретения

1. 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

C_эф.=[C]-C_Ti-C_Nb0,0006% и C_эф.+0,05[P]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, С_Nb=Nb/7,74,

[Р] – содержание фосфора в стали, а после смотки полосы, при необходимости, проводят травление и/или дрессировку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после травления проводят термическую обработку и нанесение покрытия.