способ производства холоднокатаной стали для глубокой вытяжки

Формула изобретения

Способ производства холоднокатаной полосы для глубокой вытяжки, включающий выплавку стали, содержащей углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, алюминий, азот, титан, ниобий, железо и неизбежные примеси, разливку, горячую прокатку, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг, нанесение цинкового покрытия и дрессировку, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,001-0,008,
кремний	0,002-0,025,
марганец	0,05-0,30,
фосфор	0,005-0,060,
сера	0,003-0,012,
алюминий	0,010-0,070,
азот	0,002-0,006,
титан	не более 3,43N+0,005, где N - содержание азота
ниобий	не более 7,736С-0,0035, где С - содержание углерода
железо и неизбежные примеси	остальное,

отжиг проводят при температуре Т_отж не менее 750°С, значение которой выбирают по зависимости:

|Т_отж| 875-62500(|C|-|Nb|/7,736)

где |C|, |Nb| - абсолютная величина содержания углерода и ниобия соответственно, а охлаждение после отжига до температуры 450-500°С проводят со скоростью V °С/с, абсолютная величина которой определена из соотношения: 0,04Т_отж-23 |V| 20, где Т_отж - температура отжига, °С, 0,04 - эмпирический коэффициент, 1/°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к химическому составу и технологическим параметрам производства сталей, предназначенных для изготовления изделий сложной конфигурации, преимущественно деталей автомобилей, в том числе с защитными покрытиями. Основными требованиями, предъявляемыми к таким сталям, являются высокая штампуемость, в том числе сохраняемая после нанесения защитного покрытия, а также повышенный уровень прочностных характеристик, достигамый в результате упрочнения при сушке лакокрасочных покрытий на готовых деталях так называемого ВН-эффекта (bake-hardening effect).

Известен способ производства горячекатаных стальных полос толщиной порядка 3 мм и холоднокатаных стальных полос толщиной 0,7-0,8 мм, предназначенных для изготовления изделий сложной формы методом листовой штамповки, преимущественно деталей автомобилей, в том числе с защитными покрытиями. Способ включает выплавку стали следующего состава, мас.%

углерод 0,002-0,015

кремний 0,005-0,020

марганец 0,05-0,2

сера 0,005-0,015

фосфор 0,005-0,015

алюминий 0,015-0,06

хром 0,005-0,04

никель 0,004-0,03

медь 0,006-0,05

азот 0,001-0,006

титан 0,02-0,15

кальций 0,0003-0,0010

железо и неизбежные примеси - остальное,

разливку, горячую прокатку, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг и дрессировку (Патент РФ 2190684, описание МПК C22C 38/50, опубл. 10.10.2002 г.).

Указанный способ позволяет получить высокие значения коэффициента нормальной пластической анизотропии и показателя упрочнения, что свидетельствует о высокой штампуемости. Однако такая сталь может не иметь склонности к ВН-эффекту.

Известен способ производства холоднокатаных полос из сверхнизкоуглеродистой стали, включающий выплавку стали, содержащую, мас.%:

углерод 0,006-0,10,

марганец 0,01-0,15,

фосфор 0,07,

азот 0,0025,

алюминий 0,04,

ниобий 0,031-0,06,

сера 0,008,

железо и неизбежные примеси - остальное,

разливку, нагрев слябов до 1150-1200°C, горячую прокатку с температурой конца прокатки при 910-920°C, смотку при 740-750°C, холодную прокатку с суммарным обжатием не менее 70%, нагрев полосы со скоростью 10-20°C/с до температуры отжига, определяемой в зависимости от отношения Nb/C по формулам

при 3,1 Nb/C 4,65,

T_отж=7,52·(Nb/C) ²+45,55·Nb/C +791°C

при 4,65<Nb/C 10,

T_отж=1,75·(Nb/C) ²+33,81·Nb/C+730°C,

где Nb и C - содержание ниобия и углерода в стали, мас.%, выдержку при температуре отжига в течение 50-60 с и охлаждение со скоростью 15-25°C/с до 340-360°C.

При необходимости на холоднокатаные полосы наносят покрытия.

Способ направлен на стабилизацию комплекса механических свойств при обеспечении категории весьма особо сложной вытяжки с одновременным получением упрочняющего эффекта (ВН-эффекта) не менее 40 МПа.

(Патент РФ №2212457, МПК C21D 8/04, опубл. 20.09.2003 г., описание-прототип).

Недостатком данного способа является нестабильная величина ВН-эффекта в зависимости от режима непрерывного отжига.

Известен способ получения высокопрочной холоднокатаной листовой стали для глубокой вытяжки, обладающей способностью к упрочнению при сушке лакокрасочных покрытий (ВН-эффекту). Сталь, предназначенная для автомобильных кузовов, содержит следующие компоненты, мас.%:

углерод 0,001-0,003,

кремний не более 0,25,

марганец 0,1-1,0,

фосфор 0,035-0,1,

сера 0,004-0,015,

алюминий 0,01-0,1,

азот 0,001-0,003,

титан не более 0,005,

железо и неизбежные примеси остальное.

Заготовку из стали подвергают горячей прокатке с конечной температурой 880°C, затем проводят холодную прокатку, последующий непрерывный отжиг при температуре, большей или равной температуре рекристаллизации, но меньшей температуры Ar₃ , и завершающую прокатку при удлинении 1,6% и натяжении 7,0 кг/мм².

(Выложенная заявка Японии №4-2729, МПК C21D 9/48, C21D 8/04, опубл. 07.01.1992, заявлено 20.04.1990 №2 - 105806).

Недостаток способа заключается в том, что при низком содержании титана и отсутствии ниобия в стали происходит связывание азота в мелкодисперсные частицы нитрида алюминия, что приводит к измельчению зерна и снижению штампуемости.

Наиболее близким к заявляемому является способ производства холоднокатаной стали для глубокой вытяжки, включающий выплавку стали, разливку, горячую прокатку, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг и дрессировку, при необходимости нанесения цинкового покрытия, при котором выплавляют сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, алюминий, азот, титан, ниобий, железо и неизбежные примеси, в том числе кислород, в следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,001-0,006,

кремний 0,002-0,020,

марганец 0,07-0,30,

фосфор 0,005-0,020,

сера 0,005-0,010,

алюминий 0,015-0,050,

азот 0,002-0,006,

титан 0,02-0,08,

ниобий в количестве, определяемом из соотношения

0,005% (Nb) 7,75(C)

или в количестве, определяемом из соотношения

7,75(C)<(Nb) 0,06%,

где (C) и (Nb) - содержание углерода и ниобия соответственно, мас.%,

кислород 0,001-0,005,

железо и неизбежные примеси остальное,

при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 0,07-0,12%, а отношение содержания алюминия к содержанию кислорода составляет не менее 5,0, при этом минимальное содержание титана рассчитывается из соотношения:

(Ti)_min=3,43(N)+2,4(S),

где (Ti), (N) и (S) - содержание титана, азота и серы соответственно, мас.% (Патент РФ №2233905, описание, МПК C22C 38/14, опубл. 10.08.2004 - прототип изобретения).

Указанный способ (прототип) обеспечивает высокую штампуемость холоднокатаной стали для глубокой вытяжки, в частности после нанесения цинкового покрытия, однако прочность готового изделия и величина ВН-эффекта не являются стабильными при изменении химического состава в указанных пределах и технологических параметров производства.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является оптимизация химического состава и технологических параметров производства стали с обеспечением технического результата в виде повышения прочностных характеристик, склонности к ВН-эффекту, при сохранении высокой штампуемости.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства холоднокатаной стали для глубокой вытяжки, включающем выплавку стали, содержащей углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, алюминий, азот, титан, ниобий, железо и неизбежные примеси, разливку, горячую прокатку, смотку полос в рулоны, холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг, нанесение цинкового покрытия и дрессировку, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,001-0,008,

кремний 0,002-0,025,

марганец 0,05-0,30,

фосфор 0,005-0,060,

сера 0,003-0,012,

алюминий 0,010-0,070,

азот 0,002-0,006,

титан не более 3,43N+0,005, где N - содержание азота

ниобий не более 7,73 6C - 0,0035, где C - содержание углерода,

железо и неизбежные примеси - остальное,

отжиг проводят при температуре T_отж не менее 750°C, значение которой выбирают по зависимости

|T_отж| 875-62500(|C|-|Nb|/7,736),

|C|, |Nb| - абсолютная величина содержания углерода и ниобия соответственно, а охлаждение после отжига до температуры 450-500°C проводят со скоростью V °C/с, абсолютная величина которой определена из соотношения

0,04T_отж-23 |V| 20,

где T_отж - температура отжига, °C,

0,04 - эмпирический коэффициент, 1/°C.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Для обеспечения высокой штампуемости и требуемой величины ВН-эффекта необходимо содержание в твердом растворе (феррите) свободного углерода не более 0,002%. При этом азот должен быть связан в стойкие частицы (нитриды), например в нитрид титана и в нитрид алюминия. При содержании титана в стали более 3,43N+0,005% после связывания азота в нитрид титана некоторое количество титана остается в твердом растворе и может участвовать в образовании частиц карбида титана, снижая тем самым величину ВН-эффекта. С этим связано ограничение максимального содержания титана в стали в соответствии с формулой изобретения: титан - не более 3,43N+0,005, где N - содержание азота. При недостаточном для полного связывания азота содержании титана оставшийся в растворе азот будет связан в нитрид алюминия. В любом случае присутствие титана в стали только в виде нитридов позволяет регулировать содержание углерода в твердом растворе путем обеспечения определенного соотношения между содержанием в стали углерода и ниобия. При этом ограничение верхнего значения содержания ниобия в зависимости от содержания углерода: ниобий - не более 7,736C-0,0035, где C - содержание углерода, является гарантией обеспечения склонности стали к ВН-эффекту, так как при этом можно обеспечить содержание углерода в твердом растворе не менее 0,0006% - с учетом возможности частичного растворения частиц карбида ниобия в процессе отжига. При высоком содержании ниобия в стали - ближе к верхнему пределу формулы изобретения, повысить содержание углерода в твердом растворе, а следовательно, и величину ВН-эффекта, можно, частично растворив частицы карбида ниобия в процессе отжига, что достигается при повышении температуры отжига. С этим связана необходимость назначения температуры отжига в соответствии с формулой изобретения: |T_отж. | 875-62500(|C|-|Nb|/7,736).

Ограничение нижнего значения температуры отжига - 750°C связано с необходимостью достаточно полного протекания рекристаллизационных процессов для обеспечения требуемой штампуемости. В процессе последующего охлаждения тот углерод, который перешел в твердый раствор в процессе отжига, может снова выделиться в виде карбида ниобия, если скорость охлаждения до температуры 450-550°C будет недостаточно большой. С этим связана необходимость ограничения скорости охлаждения до указанных температур в соответствии с формулой изобретения: 0,04T _отж-23 |V| 20. Особенно важно увеличивать скорость охлаждения при повышении температуры отжига и растворении частиц карбида ниобия, что отражено в левой части соотношения. Это позволяет сохранить растворившийся углерод в твердом растворе и обеспечить ВН-эффект.

Ограничение верхнего значения скорости охлаждения связано с возможностями существующих агрегатов (увеличение скорости охлаждения связано с увеличением скорости движения полосы в агрегате и, следовательно, с уменьшением длительности отжига, что может привести к снижению штампуемости из-за недостаточного протекания рекристаллизационных процессов), а также с тем, что дальнейшее увеличение скорости не приводит к увеличению ВН-эффекта. При более низких температурах (ниже 450-550°C) диффузионная подвижность атомов углерода снижается и скорость дальнейшего охлаждения не влияет на величину ВН-эффекта.

Ограничение нижнего предела содержания углерода, азота и серы 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 указанных элементов выше верхних пределов формулы изобретения приводит к необходимости увеличения количества микролегарующих элементов для сохранения штампуемости, что может приводить к снижению качества поверхности, ухудшению адгезии защитных покрытий, а также увеличивает стоимость металлопродукции.

Верхние пределы содержания кремния, марганца и фосфора связаны с необходимостью ограничить твердорастворное упрочнение стали пределами, отрицательно влияющими на штампуемость. Ограничение нижних пределов содержания указанных элементов в основном диктуется экономическими соображениями, так как дальнейшее снижение их содержания не приводит к повышению качества стали.

Минимальное содержание алюминия в стали определяется необходимостью достаточного раскисления стали. Ограничение верхнего предела содержания алюминия, является фактором, положительно влияющим на штампуемость стали и адгезию защитных покрытий.

Примеры конкретного выполнения способа.

Шесть вариантов сверхнизкоуглеродистых сталей были выплавлены в 300-тонном конвертере ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», разлиты на установке непрерывной разливки стали в слябы сечением 250×1300 мм, из которых горячей прокаткой на стане «2000» получали полосы толщиной 2,8 мм, обеспечивая температуру конца прокатки 880-900°C. Полосы после душирования сматывали в рулоны при температуре 710-730°C. После травления и холодной прокатки на полосы толщиной 0,8 мм полосы подвергали обработке в агрегате горячего цинкования с проведением непрерывного отжига при температуре 750-850°C, скоростью охлаждения до температуры цинковой ванны 450°C 6-15°C/с и нанесением цинкового покрытия. После дрессировки со степенью обжатия 0,8% проводили комплексные механические испытания.

Были опробованы следующие варианты сталей:

вариант 1 - сталь, содержащая 0,004% углерода, 0,012% кремния, 0,11% марганца, 0,015% фосфора, 0,008% серы, 0,04% алюминия, 0,013% титана, 0,022% ниобия, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 3,43N+0,005=0,0187, что превышает содержание титана в стали, то есть содержание титана соответствует формуле изобретения, выражение 7,736C-0,0035=0,027, что превышает содержание ниобия в стали, то есть содержание ниобия также соответствует формуле изобретения, температура отжига для данного варианта составляла 830°C, что соответствовало соотношению |T _отж.| 875-62500(|C|-|Nb|/7,736), согласно которому минимальная температура отжига должна была составлять 803°C; скорость охлаждения после отжига составляла 12°C/с, что соответствовало соотношению 0,04T_отж-23 |V| 20, согласно которому ее значение должно было быть не менее 10,2°C/с; таким образом, данный вариант полностью соответствовал формуле изобретения;

вариант 2 - сталь, содержащая 0,005% углерода, 0,014% кремния, 0,15% марганца, 0,009% фосфора, 0,009% серы, 0,03% алюминия, 0,023% титана, 0,025% ниобия, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 3,43N+0,005=0,0187, что ниже содержания титана в стали, то есть содержание титана не соответствует формуле изобретения, выражение 7,736C-0,0035=0,035, что превышает содержание ниобия в стали, то есть содержание ниобия соответствует формуле изобретения, температура отжига для данного варианта составляла 800°C, что соответствовало соотношению |T_отж.| 875-62500(|C|-|Nb|/7,736), согласно которому минимальная температура отжига должна была составлять 764°C; скорость охлаждения после отжига составляла 10°C/с, что соответствовало соотношению 0,04T_отж-23 |V| 20, согласно которому ее значение должно было быть не менее 9°C/с; таким образом, данный вариант не соответствовал формуле изобретения по содержанию титана;

вариант 3 - сталь, содержащая 0,004% углерода, 0,011% кремния, 0,12% марганца, 0,010% фосфора, 0,008% серы, 0,04% алюминия, 0,011% титана, 0,030% ниобия, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 3,43N+0,005=0,0187, что превышает содержание титана в стали, то есть содержание титана соответствует формуле изобретения, выражение 7,736C-0,0035=0,027, что ниже содержания ниобия в стали, то есть содержание ниобия не соответствует формуле изобретения, температура отжига для данного варианта составляла 870°C, что соответствовало соотношению |T_отж.| 875-62500(|C|-|Nb|/7,736), согласно которому минимальная температура отжига должна была составлять 867°C; скорость охлаждения после отжига составляла 15°C/с, что соответствовало соотношению 0,04T_отж.-23 |V| 20, согласно которому ее значение должно было быть не менее 11,8°C/с; таким образом, данный вариант не соответствовал формуле изобретения по содержания ниобия;

вариант 4 - сталь, содержащая 0,003% углерода, 0,007% кремния, 0,14% марганца, 0,040% фосфора, 0,007% серы, 0,05% алюминия, 0,015% титана, 0,019% ниобия, 0,005% азота, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 3,43N+0,005=0,0222, что превышает содержание титана в стали, то есть содержание титана соответствует формуле изобретения, выражение 7,736C-0,0035=0,0197, что превышает содержание ниобия в стали, то есть содержание ниобия также соответствует формуле изобретения, температура отжига для данного варианта составляла 830°C, что не соответствовало соотношению |T _отж| 875-62500(|C|-|Nb|/7,736), согласно которому минимальная температура отжига должна была составлять 841°C; скорость охлаждения после отжига составляла 12°C/с, что соответствовало соотношению 0,04T_отж-23 |V| 20, согласно которому ее значение должно было быть не менее 10,2°C/с; таким образом, данный вариант не соответствовал формуле изобретения по температуре отжига:

вариант 5 - сталь, содержащая 0,004% углерода, 0,022% кремния, 0,40% марганца, 0,070% фосфора, 0,008% серы, 0,05% алюминия, 0,011% титана, 0,018% ниобия, 0,006% азота, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 3,43N+0,005=0,0256, что превышает содержание титана в стали, то есть содержание титана соответствует формуле изобретения, выражение 7,736C-0,0035=0,027, что превышает содержание ниобия в стали, то есть содержание ниобия также соответствует формуле изобретения, температура отжига для данного варианта составляла 800°C, что соответствовало соотношению |T _отж| 875-62500(|C|-|Nb|/7,736), согласно которому минимальная температура отжига должна была составлять 770°C; скорость охлаждения после отжига составляла 10°C/с, что соответствовало соотношению 0,04T_отж-23 |V| 20, согласно которому ее значение должно было быть не менее 9°C/с, таким образом, данный вариант не соответствовал формуле изобретения по содержанию марганца и фосфора;

вариант 6 - сталь, содержащая 0,004% углерода, 0,015% кремния, 0,10% марганца, 0,010% фосфора, 0,009% серы, 0,04% алюминия, 0,014% титана, 0,022% ниобия, 0,005% азота, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 3,43N+0,005=0,0222, что превышает содержание титана в стали, то есть содержание титана соответствует формуле изобретения, выражение 7,736C-0,0035=0,027, что превышает содержание ниобия в стали, то есть содержание ниобия также соответствует формуле изобретения, температура отжига для данного варианта составляла 830°C, что соответствовало соотношению |T _отж| 875-62500(|C|-|Nb|/7,736), согласно которому минимальная температура отжига должна была составлять 803°C; скорость охлаждения после отжига составляла 6°C/с, что не соответствовало соотношению 0,04T_отж-23 |V| 20, согласно которому ее значение должно было быть не менее 10,2°C/с, таким образом, данный вариант не соответствовал формуле изобретения по скорости охлаждения.

Механические испытания образцов оцинкованного проката 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 (что характерно, в частности, для IF-сталей), величину предела текучести определяли по показаниям тензометра с учетом линейного участка диаграммы растяжения (кроме этого, для контроля, использовали анализ машинной диаграммы растяжения).

Показатель упрочнения определяли в диапазоне деформации от 10 до 17%.

Коэффициент нормальной пластической анизотропии r определяли при остановке испытаний (при достижении 17%) путем замера вручную ширины образца (в трех сечениях).

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

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°C, 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 образцов оцинкованной стали всех вариантов приведены в таблице.

Штампуемость стали оценивали по основным механическим характеристикам, предусмотренным нормативно-технической документацией (НТД) для сталей данного класса. К ним относятся предел текучести _т, предел прочности _B, относительное удлинение ₄, коэффициент нормальной пластической анизотропии r и коэффициент деформационного упрочнения n. Критерием обеспечения высокой штампуемости считали получение значения предела текучести холоднокатаного проката не более 210 Н/мм ², относительного удлинения не менее 40%, значения коэффициента нормальной пластической анизотропии r не менее 2,0, значение коэффициента деформационного упрочнения n не менее 0,20. Критерием обеспечения требуемой склонности к ВН-эффекту считали получение его величины не менее 40 Н/мм².

Видно, что для вариантов 2, 3, 4 и 6 из-за несоответствия формуле изобретения по содержанию титана, ниобия, температуре отжига и скорости охлаждения соответственно, требуемая величина ВН-эффекта не была обеспечена. Для варианта 5 из-за высокого значения содержания марганца и фосфора получены высокие значения прочностных характеристик, но недостаточная штампуемость. Таким образом, только сталь, полученная по варианту 1, соответствующая формуле изобретения, имеет механические свойства на уровне категории вытяжки ВОСВ при требуемой величине ВН-эффекта.

То есть использование настоящего предложения существенно повышает величину ВН-эффекта горячеоцинкованного проката и прочность готового изделия из него при сохранении высоких характеристик штампуемости.

Таблица Результаты механических испытаний сталей, полученных по использованным вариантам.
№№ варианта	т, Н/мм2	в, Н/мм2	4, %	r	n	ВН-эффект, Н/мм2
1	190	315	42	2,1	0,20	45
2	180	305	44	2,2	0,20	20
3	185	305	45	2,2	0,20	10
4	205	330	40	2,1	0,22	5
5	230	335	38	1,8	0,21	50
6	185	310	43	2,2	0,20	30