Патент на изобретение №2358025

(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОГО ПРОКАТА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии 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, мас.%: углерод – 0,05-0,10, кремний – не более 0,30, марганец – 0,25-1,20, алюминий – 0,01-0,07, азот – не более 0,009, ниобий и/или титан – 0,01-0,08, железо и неизбежные примеси – остальное, горячую прокатку проводят с температурой конца прокатки 820-875°С, смотку горячекатаных полос ведут при температуре 510-640°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 600-700°С, продолжительность рекристаллизационного отжига в колпаковой печи составляет 9-21 час, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%. Согласно изобретению содержание углерода, марганца и температура отжига связаны с минимальным пределом текучести (классом прочности) зависимостями: [С]=[0,0416·ln(К_пр)-0,167]±0,015, %; [Mn]=(0,0035·К_пр-0,46)±0,20, %; Т_отж(810-

0,5·К_пр), °С, где [С], [Mn] – содержание углерода и марганца в стали, %; К_пр – безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести; 0,0416; 0,167; 0,0035; 0,46 – эмпирические коэффициенты, %; 810; 0,5 – эмпирические коэффициенты, °С. 3 з.п. ф-лы, 7 табл.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства холоднокатаного 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 требованиям европейских стандартов SEW 093-87 и EN 10268-06 (таблица 1):

Таблица 1
Стандарт	Класс прочности Kпр*	Марка	Предел текучести 0,2 (Rel), H/мм2	Временное сопротивление в (Rm), Н/мм2	Относительное удлинение 80, %, не менее
SEW 093-87	260	ZStE260	260-340	350-450	24
300	ZStE300	300-380	380-480	22
340	ZStE340	340-440	410-530	20
380	ZStE380	380-500	460-600	18
420	ZStE420	420-540	480-620	16
EN 10268-06	260	HC260LA	260-330	350-430	26
300	HC300LA	300-380	380-480	23
340	HC340LA	340-420	410-510	21
380	HC380LA	380-480	440-560	19
420	HC420LA	420-520	470-590	17
Примечание: * Класс прочности заложен в наименование марки по указанным стандартам. Числовое значение соответствует минимальному пределу текучести.

Известен способ производства холоднокатаных листов, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод не более 0,07

Марганец 0,25-0,35

Кремний 0,01

Фосфор не более 0,020

Сера не более 0,025

Никель не более 0,06

Медь не более 0,06

Хром не более 0,03

Железо остальное

Непрерывнолитые слябы нагревают до температуры 1300°С, прокатывают в полосы с температурой конца прокатки 860-920°С, охлаждают водой до температуры 550-650°С и выше, после чего сматывают в рулоны. Горячекатаные полосы подвергают травлению и холодной прокатке до требуемой толщины. Затем холоднокатаные полосы в рулонах отжигают при температуре 680-690°С в течение 30-40 ч и дрессируют с обжатием 1,0-1,5% [С.С.Гусева и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. – М.: Металлургия, 1979 г., с.9-26].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 260 до 420.

Известен способ производства листовой стали для холодной вытяжки, включающий горячую прокатку непрерывно-литых слябов из малоуглеродистой стали, травление, многопроходную холодную прокатку с суммарным обжатием 75%, рекристаллизационный отжиг рулонов в колпаковой печи с нагревом за несколько стадий: нагрев со средней скоростью 70-80°С/ч до температуры 490-510°С, повторный нагрев со средней скоростью 3-4°С/ч до промежуточной температуры 540-560°С и окончательный нагрев со средней скоростью 50-55°С/ч до температуры 700-720°С, при которой рулоны выдерживают в течение 12-18 часов. Слябы разливают из стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,025-0,050

Кремний 0,003-0,01

Марганец 0,12-0,19

Алюминий 0,02-0,05

Азот не более 0,011

Железо остальное [Патент РФ 2255988, МПК C21D 8/04, опубл. 10.07.2005].

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 холоднокатаных листов, включающий непрерывную разливку стальных слябов, нагрев слябов до 1150-1240°С, горячую прокатку с температурой конца прокатки не ниже 870°С, охлаждение полос водой до 550-730°С, смотку в рулон, холодную прокатку с суммарным обжатием не менее 70%, отжиг при 700-750°С с выдержкой при этой температуре 11-34 часов. Дрессировку полос ведут с обжатием 0,4-1,2%. Слябы разливают из стали следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,002-0,007

Кремний 0,005-0,05

Марганец 0,08-0,16

Алюминий 0,01-0,05

Титан 0,05-0,12

Фосфор не более 0,015

Сера не более 0,010

Хром не более 0,04

Никель не более 0,04

Медь не более 0,04

Азот не более 0,006

Железо остальное [Патент РФ 2197542, МПК C21D 8/04, опубл. 27.01.2003, прототип].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 260 до 420.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении холоднокатаного проката повышенной прочности, предназначенного для холодной штамповки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получение стали требуемого класса прочности.

Указанный результат достигается тем, что в способе производства холоднокатаной полосы для холодной штамповки, включающем выплавку стали, разливку слябов, горячую прокатку слябов в полосы, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи и дрессировку, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:

Углерод 0,05-0,10

Кремний 0,003-0,30

Марганец 0,25-1,20

Алюминий 0,01-0,07

Азот не более 0,009

Ниобий и/или титан 0,01-0,08 каждого

Железо и неизбежные примеси остальное,

горячую прокатку проводят с температурой конца прокатки 820-875°С, смотку горячекатаных полос ведут при температуре 510-640°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 600-700°С, продолжительность рекристаллизационного отжига в колпаковой печи составляет 9-21 час, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%.

Согласно изобретению содержание углерода, марганца и температура отжига связаны с минимальным пределом текучести (классом прочности) зависимостями:

где [С], [Mn] – содержание углерода и марганца в стали, %;

0,0416; 0,167; 0,0035; 0,46 – эмпирические коэффициенты, %;

810; 0,5 – эмпирические коэффициенты, °С;

K_пр – 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 0,05% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,10% приводит к снижению пластичности стали, что недопустимо.

Кремний в стали применен как раскислитель и легирующий элемент. При содержании кремния более 0,30% резко снижается пластичность, имеет место охрупчивание стали.

Марганец обеспечивает получение заданных механических свойств. При содержании марганца менее 0,25% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,20% 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 (более 0,08%) или титана (более 0,08%) нецелесообразно вследствие чрезмерного упрочнения стали и ухудшения пластичности.

Горячая прокатка с температурами конца прокатки 820-875°С и смотки 510-640°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 600-700°С в течение 9-21 часа 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 600°С и уменьшение времени выдержки менее 9 часов в колпаковых печах приводит к появлению в микроструктуре отдельных прерывистых строчек рекристаллизованных зерен, что ухудшает штампуемость листовой стали. Увеличение времени выдержки более 21 часа неоправданно удлиняет отжиг.

Окончательно механические свойства формируются при дрессировке с обжатием 0,8-2,1%. Обжатие менее 0,8% не обеспечивает необходимый уровень механических свойств, приводит к появлению площадки текучести на диаграмме растяжения при испытании на разрыв, а значит к старению металла. Дрессировка с обжатием более 2,1% ограничена техническими возможностями дрессировочного стана.

Экспериментально установлено, что для получения требуемого класса прочности содержание углерода и марганца должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями [С]=[0,0416·ln(K_пр)-0,167]±0,015, %; [Mn]=(0,0035·К_пр– 0,46)±0,20, %, а температура отжига – в соответствии с выражением T_отж.(810-0,5·K_пр), °С.

Примеры реализации способа

В кислородном конвертере выплавили 7 плавок 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 ч 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 колпаковых печах с водородной защитной атмосферой. Отожженные полосы дрессировали с заданным обжатием. Технологические параметры на прокатных переделах приведены в таблице 3. Механические свойства опытных плавок приведены в таблице 4.

В таблицах 2-4 приведены химический состав, технологические параметры и механические свойства предложенного способа (плавки 2-6), способа при запредельных значениях заявленных параметров (плавки 1 и 7) и способа-прототипа (плавка 8). Примеры реализации зависимостей (1)-(3) приведены в таблицах 5-7. Из таблиц 2-7 видно, что в случае реализации предложенного способа (плавки 2-6) на холоднокатаном прокате достигаются механические свойства с пределом текучести 260-540 Н/мм², временным сопротивлением 350-620 Н/мм², относительным удлинением более 16%, причем согласно зависимостям (1)-(3) механические свойства соответствуют различным классам прочности от 260 до 420. При запредельных значениях заявленных параметров (плавки 1 и 7) и использовании способа-прототипа (плавка 8) механические свойства проката классов прочности от 260 до 420 не достигаются: для плавки 1 классу прочности 260 не соответствует предел текучести и временное сопротивление; для плавки 7 классу прочности 420 не соответствует относительное удлинение; для способа-прототипа (плавка 8) классу прочности 260 не соответствует предел текучести и временное сопротивление.

Из проката у потребителя изготавливали высоконагруженные детали автомобиля, такие как усилители корпуса и несущие детали рамы автомобиля, с хорошими результатами по штамповке.

Таблица 2 Химический состав опытных плавок
плавок	Содержание элементов, мас.%
С	Si	Mn	Al	N	Nb	Ti	Fe и неизбежные примеси
1	0,03	0,03	0,20	0,01	0,006	0,008	0,002	Остальное
2	0,05	0,11	0,25	0,01	0,005	0,010	0,025	Остальное
3	0,07	0,16	0,65	0,04	0,006	0,030	0,003	Остальное
4	0,08	0,21	0,76	0,04	0,006	0,055	0,010	Остальное
5	0,08	0,22	0,85	0,05	0,006	0,002	0,080	Остальное
6	0,10	0,30	1,20	0,07	0,009	0,080	0,035	Остальное
7	0,11	0,35	1,30	0,08	0,010	0,090	0,002	Остальное
8 (прототип)	0,0045	0,028	0,13	0,03	0,003	–	0,09	Остальное

Таблица 3 Технологические параметры на прокатных переделах
плавок	Температура конца прокатки Ткп, °С	Температура смотки при г/п Tсм, °С	Температура рекристаллизационного отжига в колпаковых печах, °С	Время выдержки при отжиге, ч	Степень обжатия при дрессировке, %
1	885	650	710	8,5	0,7
2	875	640	700	9	0,8
3	845	570	670	12	1,5
4	845	550	650	11	1,8
5	850	530	630	15	1,8
6	820	510	600	21	2,1
7	815	508	590	22	2,2
8 (прототип)	880	640	730	22	0,8
Таблица 4 Механические свойства опытных плавок
плавок	Предел текучести т, Н/мм2	Временное сопротивление в, Н/мм2	Относительное удлинение 80, %	Достигнутый результат
1	210	330	37	Классу прочности 260 не соответствует предел текучести и временное сопротивление
2	280	360	30	Класс прочности 260
3	340	430	26	Класс прочности 300
4	370	465	24	Класс прочности 340
5	395	470	20	Класс прочности 380
6	440	495	18	Класс прочности 420
7	490	530	10	Классу прочности 420 не соответствует относительное удлинение
8 (прототип)	162-170	300-305	10 55-56	Классу прочности 260 не соответствует предел текучести и временное сопротивление

Таблица 5 Содержание углерода в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно [С]=[0,0416·ln(Kпр)-0,167]±0,015, %
плавок	Содержание С (мас.%)	Требуемый класс прочности Kпр	Содержание С (мас.%) согласно зависимости [С]=[0,0416·ln(Kпр)-0,167]±0,015, %	Соответствие формуле изобретения
Cmin	Cmax
1	0,03	260	0,049	0,080	Не соответствует
2	0,05	260	0,049	0,080	Соответствует
3	0,07	300	0,055	0,085	Соответствует
4	0,08	340	0,061	0,09	Соответствует
5	0,08	380	0,065	0,095	Соответствует
6	0,10	420	0,069	0,010	Соответствует
7	0,11	420	0,069	0,010	Не соответствует
Таблица 6 Содержание марганца в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно [Mn]=(0,0035·Kпр-0,46)±0,20, %
плавок	Содержание Mn (мас.%)	Требуемый класс прочности Kпр	Содержание Mn (мас.%) согласно зависимости [Mn]=(0,0035·Kпр-0,46)±0,20, %	Соответствие формуле изобретения
Mnmin	Mnmax
1	0,20	260	0,25	0,65	Не соответствует
2	0,25	260	0,25	0,65	Соответствует
3	0,65	300	0,39	0,79	Соответствует
4	0,76	340	0,53	0,93	Соответствует
5	0,85	380	0,67	1,07	Соответствует
6	1,20	420	0,81	1,21	Соответствует
7	1,30	420	0,81	1,21	Не соответствует

Таблица 7 Температура рекристаллизационного отжига в зависимости от требуемого минимального предела текучести согласно Tотж.(810-0,5·Kпр), °С
плавок	Температура рекристаллизационного отжига в колпаковых печах, °С	Требуемый класс прочности Kпр	Температура рекристаллизационного отжига (°С) согласно зависимости Tотж.(810-0,5·Kпр), °С	Соответствие формуле изобретения
Min
1	710	260	680	Не соответствует
2	700	260	680	Соответствует
3	670	300	660	Соответствует
4	650	340	640	Соответствует
5	630	380	620	Соответствует
6	600	420	600	Соответствует
7	590	420	600	Не соответствует

Формула изобретения

1. Способ производства холоднокатаного проката повышенной прочности из низколегированной стали для холодной штамповки, включающий выплавку стали, разливку слябов, горячую прокатку слябов в полосы, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи и дрессировку, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:

при этом горячую прокатку проводят с температурой конца прокатки 820-875°С, смотку горячекатаных полос ведут при температуре 510-640°С, рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 600-700°С, продолжительность рекристаллизационного отжига составляет 9-21 ч, дрессировку полос производят с обжатием 0,8-2,1%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание углерода связано с требуемым классом прочности следующей зависимостью:
[С]=[0,0416·ln(К_пр)-0,167]±0,015, %,
где [С] – содержание углерода в стали, %;
0,0416 – эмпирический коэффициент, %;
К_пр – безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,167 – эмпирический коэффициент, %.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание марганца связано с требуемым классом прочности следующей зависимостью:
[Mn]=(0,0035·К_пр-0,46)±0,20, %,
где [Mn] – содержание марганца в стали, %;
0,0035 – эмпирический коэффициент, %;
К_пр – безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,46 – эмпирический коэффициент, %.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рекристаллизационный отжиг проводят при температуре, назначаемой в зависимости от требуемого класса прочности в соответствии с выражением:
Т_отж.(810-0,5·К_пр), °С,
где Т_отж – температура отжига, °С;
810 – эмпирический коэффициент, °С;
К_пр – безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,5 – эмпирический коэффициент, °С.