способ производства холоднокатаного проката повышенной прочности
Классы МПК: | C21D8/04 для глубокой вытяжки C21D9/48 листы глубокой вытяжки C22C38/06 содержащие алюминий |
Автор(ы): | Немтинов Александр Анатольевич (RU), Кузнецов Виктор Валентинович (RU), Струнина Людмила Михайловна (RU), Золотова Лариса Юрьевна (RU), Долгих Ольга Вениаминовна (RU), Лятин Андрей Борисович (RU), Головко Владимир Андреевич (RU), Родионова Ирина Гавриловна (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Северсталь" (ОАО "Северсталь") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-11-21 публикация патента:
10.06.2009 |
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·Кпр -0,46)±0,20, %; Тотж (810-
0,5·Кпр), °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.
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.%:
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 каждого |
железо и неизбежные примеси | остальное, |
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(Кпр)-0,167]±0,015, %,
где [С] - содержание углерода в стали, %;
0,0416 - эмпирический коэффициент, %;
Кпр - 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, %;
Кпр - 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:
Тотж. (810-0,5·Кпр), °С,
где Т отж - температура отжига, °С;
810 - эмпирический коэффициент, °С;
Кпр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;
0,5 - эмпирический коэффициент, °С.
Описание изобретения к патенту
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;
Kпр - 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·Кпр - 0,46)±0,20, %, а температура отжига - в соответствии с выражением Tотж. (810-0,5·Kпр), °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(K пр)-0,167]±0,015, % | |||||
№ плавок | Содержание С (мас.%) | Требуемый класс прочности Kпр | Содержание С (мас.%) согласно зависимости [С]=[0,0416·ln(K пр)-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·K пр-0,46)±0,20, % | |||||
№ плавок | Содержание Mn (мас.%) | Требуемый класс прочности Kпр | Содержание Mn (мас.%) согласно зависимости [Mn]=(0,0035·K пр-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 |
Класс C21D8/04 для глубокой вытяжки
Класс C21D9/48 листы глубокой вытяжки
Класс C22C38/06 содержащие алюминий