сталь и изделие, выполненное из нее

Формула изобретения

1. Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, хром, никель, медь, алюминий, азот, титан, ниобий, ванадий, молибден, серу, олово, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,016-0,12
кремний	0,001-0,50
марганец	0,05-1,90
фосфор	0,003-0,12
хром	0,01-0,40
никель	0,01-0,40
медь	0,01-0,50
алюминий	0,01-0,15
азот	не более 0,015
титан	0,001-0,09
ниобий	0,001-0,09
ванадий	0,001-0,09
молибден	0,001-0,09
сера	не более 0,03
олово	до 0,03
железо и неизбежные примеси	остальное,

при этом суммарное содержание титана, ниобия, ванадия не превышает 0,22%, суммарное содержание углерода и фосфора не превышает 0,22%, отношение содержаний марганца и серы составляет [Mn]/[S] 4,8.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,0005-0,005% бора и/или 0,0005-0,005% кальция.

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание марганца и кремния связано зависимостью с классом прочности (К_пр ):

[Mn]+[Si] (0,003·K_пр-A),

где [Mn] - содержание марганца, %;

[Si] - содержание кремния, %;

К _пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;

0,003 - эмпирический коэффициент, %;

А - эмпирический коэффициент %, причем

А=0,40% - для холоднокатаного проката без покрытия,

А=0,65% - для холоднокатаного проката с покрытием.

4. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание ниобия, титана, ванадия и молибдена связано зависимостью с классом прочности:

[Nb]+[Ti]+[V]+[Mo] (0,0002·K_пр-0,026),

где [Nb] - содержание ниобия, %;

[Ti] - содержание титана, %;

[V] - содержание ванадия, %;

[Мо] - содержание молибдена, %;

К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;

0,0002 и 0,026 - эмпирические коэффициенты, %.

5. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что для сталей с содержанием фосфора более 0,03% суммарное содержание углерода и фосфора связано зависимостью с классом прочности:

[С]+[Р] (0,0002·К_пр+0,06),

где [С] - содержание углерода, %;

[Р] - содержание фосфора, %;

К _пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести;

0,0002 и 0,06 - эмпирические коэффициенты, %.

6. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что углеродный эквивалент стали определяется зависимостью: C _экв=C+(Mn+Si)/6 0,35.

7. Изделие, выполненное из стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по любому из пп.1-6.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к составу низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготовления деталей автомобиля методом штамповки.

Одним из определяющих качеств стального проката для штамповки является способность к вытяжке, сочетание прочностных и пластических характеристик. Прокат с хорошей штампуемостью в зависимости от класса прочности должен соответствовать определенному комплексу механических свойств, например, согласно требований стандартов ГОСТ 9045, SEW 093, SEW 094, EN 10268, EN 10292, EN 10149 и других (класс прочности соответствует по числовому значению минимальному пределу текучести) - таблица 1.

Примечание: Для марки 08Ю класс прочности установлен условно по среднему получаемому пределу текучести.

Известна высокопрочная сталь для глубокой вытяжки, содержащая углерод 0,002-0,007%; кремний 0,005-0,05%; марганец 0,5-1,7%; сера 0,005-0,015%; фосфор 0,005-0,015% или 0,05-0,15%; алюминий 0,005-0,07%; никель 0,005-0,3%; медь 0,005-0,3%; титан 0,02-0,15%; азот 0,001-0,007%; хром 0,005-0,3%; железо - остальное [Патент РФ № 2061782, МПК С22С 38/50, С22С 38/54, 10.06.1996].

Недостатком известной стали является повышенная ее себестоимость из-за необходимости вакуумирования стали при выплавке с целью обеспечения низкого содержания углерода и низкого уровня прочностных свойств, а также повышенный уровень отсортировки по дефектам сталеплавильного происхождения (по плене и неметаллическим включениям).

Известна сталь, содержащая углерод 0,02-0,08%; кремний 0,003-0,40%; марганец 0,20-1,20%; хром 0,01-4,0%; никель 0,01-0,60%; медь 0,01-0,50%; титан 0,002-0,22%; алюминий 0,02-0,15%; серу 0,005-0,025%; фосфор 0,003-0,020%; азот 0,002-0,018%; кальций 0,0001-0,02%; железо - остальное [Патент РФ № 2186145, МПК С22С 38/50, 27.07.2002].

Недостатком известной стали является низкая пластичность и высокая себестоимость стали из-за высокого содержания дорогостоящего титана, а также повышенный уровень отсортировки по дефектам сталеплавильного происхождения (по плене и неметаллическим включениям).

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является сталь, содержащая углерод 0,01-0,1%; марганец 0,1-0,9%; кремний 0,01-0,50%; медь 0,01-0,1%; алюминий 0,02-0,07%; бор 0,0001-0,005%; кальций 0,0005-0,004%; титан 0,001-0,03%; азот 0,002-0,01%; фосфор 0,005-0,12%; ванадий 0,001-0,08%; ниобий 0,001-0,05%; хром 0,01-0,1%; никель 0,0l-0,l%; железо и неизбежные примеси - остальное [Патент РФ № 2190685, МПК С22С 38/54, 10.10.2002 - прототип].

Недостатком известной стали является отсутствие регламентации содержания химических компонентов для сталей различных классов прочности; механические свойства представлены только величинами r₉₀ и n₉₀ (коэффициентами пластической анизотропии и деформационного упрочнения), нет данных по пределу текучести, прочности и относительному удлинению, что не дает четкого представления, к какому классу прочности относится известная сталь.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение потребительских свойств проката за счет улучшения штампуемости при сохранении заданных прочностных свойств проката путем регламентации содержания химических компонентов в стали.

Технический результат достигается тем, что сталь содержит компоненты в следующем соотношении: углерод 0,016-0,12%; кремний 0,001-0,50%; марганец 0,05-1,90%; фосфор 0,003-0,12%; хром 0,01-0,40%; никель 0,01-0,40%; медь 0,01-0,50%; алюминий 0,01-0,15%; азот не более 0,015%; титан 0,001-0,09%; ниобий 0,001-0,09%; ванадий 0,001-0,09%; молибден 0,001-0,09%; сера не более 0,03%; олово до 0,03%; железо и неизбежные примеси - остальное, при этом суммарное содержание титана, ниобия, ванадия не превышает 0,22%, суммарное содержание углерода и фосфора не превышает 0,22%, отношение содержаний марганца и серы составляет [Mn]/[S] 4,8. Сталь дополнительно содержит 0,0005-0,005% бора и/или 0,0005-0,005% кальция. Согласно изобретению суммарное содержание химических компонентов (марганца, кремния, ниобия, титана, ванадия, молибдена, углерода и фосфора) связано с требуемым минимальным пределом текучести (классом прочности К_пр) зависимостями:

где [Mn], [Si], [Nb], [Ti], [V], [Мо], [С], [Р] - содержание марганца, кремния, ниобия, титана, ванадия, молибдена, углерода, фосфора, %; К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому минимальному пределу текучести; 0,003; 0,0002; 0,026; 0,06 - эмпирические коэффициенты (%); А - эмпирический коэффициент (%), причем А=0,40% - для холоднокатаного проката без покрытия; А=0,65% - для холоднокатаного проката с покрытием.

Углеродный эквивалент стали определяется зависимостью:

.

Технический результат достигается также тем, что изделие выполнено из стали указанного состава.

Сущность изобретения состоит в следующем. Прочностные и пластические свойства проката, предназначенного для штамповки, зависят от химического состава стали.

Углерод - один из упрочняющих элементов. При содержании углерода менее 0,016% прочностные свойства проката ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,12% приводит к снижению пластичности проката.

Кремний в стали применяется как раскислитель и легирующий элемент. При содержании кремния менее 0,001% прочностные свойства проката ниже допустимого уровня. При содержании кремния более 0,50% резко снижается пластичность, имеет место охрупчивание.

Марганец и фосфор упрочняют ферритную матрицу, за счет чего обеспечивается получение заданной прочности. При содержании марганца менее 0,05% и фосфора менее 0,003% прочность проката ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,90% и фосфора более 0,12% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее штампуемость, увеличивает стоимость проката.

Хром, никель, медь упрочняют ферритную матрицу. При содержании каждого из них менее 0,01% прочность проката ниже допустимой. Содержание хрома, никеля более 0,40% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает пластичность проката.

Алюминий раскисляет сталь, предотвращает ее старение. При содержании алюминия менее 0,01% снижается пластичность проката, и он становятся склонным к старению. Увеличение содержания алюминия более 0,15% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.

Азот воздействует на свойства проката аналогично углероду. Мелкодисперсные частицы карбонитридов легирующих элементов, таких как титан, ниобий, ванадий, молибден упрочняют ферритную матрицу за счет дисперсионного твердения. Увеличение содержания азота более 0,015% приводит к снижению пластичности проката, а также повышает его склонность к старению.

Титан, ниобий, ванадий, молибден обеспечивают получение необходимых прочностных свойств. Они образуют поликарбонитриды и упрочняют ферритную матрицу за счет дисперсионного твердения. При содержании этих элементов менее 0,001% прочность проката ниже допустимой. Содержание этих элементов более 0,09% каждого нецелесообразно вследствие удорожания стали и ухудшения штампуемости проката.

Сера является примесным элементом и упрочняет ферритную матрицу за счет образования сульфидов марганца. Увеличение содержания серы более 0,03% приводит к снижению пластичности и штампуемости проката.

Сера интенсивно связывается с марганцем с образованием сравнительно тугоплавких сульфидов марганца MnS. Включения MnS могут служить центрами зарождения других фаз (нитридных, карбидных). При повышенном содержании серы и пониженном содержании марганца сера находится в стали в виде сернистого железа FeS, которое образует с железом легкоплавкую эвтектику, располагающуюся по границам зерен, что приводит к образованию трещин при прокатке. Чтобы этого избежать, содержание марганца и серы связано зависимостью: [Mn]/[S] 4,8.

Кальций в пределах от 0,0005 до 0,005% применяют для повышения эффективности раскисляющего действия алюминия и для улучшения формы включений окислов алюминия, их глобуляризации.

Бор препятствует чрезмерному росту ферритных зерен, гомогенизирует микроструктуру. Наличие бора предотвращает образование сегрегаций фосфора по границам зерен. При содержании бора менее 0,0005% прочностные свойства проката ниже допустимого уровня. Увеличение содержания бора более 0,005% приводит к снижению пластичности проката.

Олово является примесным элементом, оно упрочняет сталь. Увеличение содержания олова более 0,03% приводит к снижению пластичности проката.

Экспериментально установлено, что для получения механических свойств с определенным уровнем прочности (классом прочности К_пр) содержание легирующих элементов должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями: [Mn]+[Si] (0,003·К_пр-А)%, где А - эмпирический коэффициент, численно равный 0,40 или 0,65% в зависимости от вида проката; [Nb]+[Ti]+[V]+[Мо] (0,0002·К_пр-0,026)%, [С]+[Р] (0,0002·К_пр+0,06)%.

Экспериментально установлено, что суммарное содержание титана, ниобия, ванадия не должно превышать 0,22%, а суммарное содержание углерода и фосфора не должно превышать 0,22%.

Установлено, что для обеспечения пластичности проката углеродный эквивалент стали должен определяться зависимостью C_экв=C+(Mn+Si)/6 0,35.

Примеры реализации.

В кислородном конвертере выплавили 16 плавок стали. Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы сечением 250×1020-1630 мм. Слябы прокатывали на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 2,0-5,5 мм. Затем полосы прокатывали на 4- и 5-клетевом стане до толщины 0,5-3,2 мм. Холоднокатаные полосы отжигали в колпаковых печах или в агрегате непрерывного отжига. Отожженные полосы дрессировали с заданным обжатием.

В таблице 2 приведен химический состав холоднокатаных полос. Плавки № 2-14 из предложенной стали. Плавки № 1, 15, 16 с запредельным химическим составом стали. Плавки № 17-18 с химическим составом стали по прототипу. Примеры реализации зависимостей (1)-(4) приведены в таблицах 3-4. Механические свойства проката опытных плавок приведены в таблице 4.

Из таблиц 2-4 видно, что в случае реализации предложенного химического состава стали достигаются механические свойства проката классов прочности от 150 до 600 согласно требований стандартов (например, ГОСТ 9045, SEW 093, SEW 094, EN 10268, EN 10292). При запредельных значениях заявленного состава получаются механические свойства либо с недостаточной прочностью (предел текучести и предел прочности имеют низкое значение), либо с недостаточной пластичностью (относительное удлинение имеет низкое значение).

При выполнении условия, что суммарное содержание титана, ниобия и ванадия не должно превышать 0,22% (таблица 2, плавки 2-14) достигаются механические свойства без отклонений от требований стандартов. При запредельных значениях суммарного содержания титана, ниобия и ванадия более 0,22% (таблица 2, плавка 15) получаются механические свойства с недостаточной пластичностью (таблица 4).

При выполнении условия, что суммарное содержание углерода и фосфора не должно превышать 0,22% (таблица 2, плавки 2-14), достигаются механические свойства без отклонений от требований стандартов. При запредельных значениях суммарного содержания углерода и фосфора более 0,22% (таблица 2, плавка 16) получаются механические свойства с недостаточной пластичностью (таблица 4).

При выполнении условия, что отношение содержаний [Mn]/[S] 4,8, на прокате отсутствовали трещины (таблица 2, плавки 2-16). При значении отношения [Mn]/[S]<4,8 на прокате по кромке были обнаружены трещины, что привело к повышенной отсортировке по качеству поверхности (таблица 2, плавка 1).

При выполнении условия, что углеродный эквивалент C_экв =C+(Mn+Si)/6 0,35 (таблица 4 плавки 2-14), достигаются механические свойства без отклонений от требований стандартов. При запредельных значениях углеродного эквивалента более 0,35 (таблица 4 плавка 16) получаются механические свойства с недостаточной пластичностью.

Из проката, изготовленного из стали предложенного состава, производили штамповку деталей автомобиля, в том числе высоконагруженные детали. У различных потребителей были получены хорошие результаты, замечаний по штамповке не было.

Таблица 4
Углеродный эквивалент согласно зависимости Сэкв=С+(Мn+Si)/6 0,35 и механические свойства холоднокатаных полос
№ № плавок	С	Si	Mn	Cэкв=C+(Mn+Si)/6 0,35	Класс прочности	Предел текучести т, Н/мм2	Предел прочности в, H/мм2	Относительное удлинение 80, %
Факт.	Соответст вие зависимости
1	0,015	0,0005	0,04	0,021	да	150	145 (низкое значение)	250 (на нижнем пределе)	46
2	0,016	0,001	0,05	0,025	да	150	155	300	45
3	0,03	0,02	0,12	0,053	да	160	170	310	42
4	0,07	0,10	0,35	0,145	да	240	260	350	29
5	0,09	0,20	0,55	0,215	да	340	335	430	18
6	0,075	0,05	1,60	0,350	да	420	430	470	22
7	0,065	0,25	0,25	0,148	да	220	210 (низкое значение)	335	29
8	0,05	0,04	0,25	0,098	да	220	240	350	35
9	0,05	0,05	0,35	0,117	да	260	275	390	33
10	0,09	0,05	0,60	0,198	да	300	320	400	31
11	0,05	0,01	0,25	0,093	да	260	280	380	30
12	0,07	0,02	0,35	0,132	да	300	340	400	28
13	0,08	0,03	0,55	0,177	да	380	410	460	23
14	0,12	0,50	0,60	0,303	да	420	430	470	20
15	0,13	0,30	0,70	0,297	да	420	480	550	14 (низкое значение)
16	0,10	0,55	1,65	0,467	нет	600	660	700	9 (низкое значение)
Примечание: Технологические параметры плавок № 1,15,16 являются запредельными.