Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОЙ СТАЛИ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к способу производства сталей, предназначенных для изготовления изделий сложной конфигурации с использованием холодной листовой штамповки, преимущественно деталей автомобиля.

Основными требованиями, предъявляемыми к такой стали, являются высокая штампуемость, в том числе сохраняемая после нанесения защитного покрытия, а также после термической обработки в агрегатах непрерывного отжига обеспечение хорошей адгезии защитного покрытия к стальной полосе. При этом штампуемость стали определяется сочетанием низкого значения предела текучести σ_т и высоких значений коэффициента нормальной пластической анизотропии r, коэффициента деформационного упрочнения n и относительного удлинения δ₄.

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, С 22 С 38/50).

Недостаток данного способа заключается в том, что после термической обработки в агрегатах непрерывного отжига такая сталь может иметь высокие значения предела текучести б_т и низкие значения относительного удлинения б₄. Кроме того, при введении в сталь данного химического состава кальция возможно образование особого типа неметаллических включений, ухудшающих адгезию защитного покрытия.

Наиболее близким аналогом 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 этом выплавляют сталь следующего химического состава при соотношении компонентов, мас.%:

углерод - 0,003-0,015,

кремний - 0,005-0,02,

марганец - 0,05-0,20,

сера - 0,004-0,012,

фосфор - 0,005-0,015

или 0,05-0,1,

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,

ниобий - 0,01-0,15

1,5 сера+3,43 азот+6 углерод<титан<1,5 сера+3,43 азот+10 углерод, железо - остальное.

Сталь может дополнительно содержать 0,0005-0,005 мас.% бора. (Патент РФ 2034088, С 22 С 38/50, 38/54).

Недостаток данного способа заключается в том, что при содержании углерода и ниобия в стали ближе к верхним пределам, указанным в формуле, происходит снижение характеристик штампуемости, особенно при рекстристаллизационном отжиге в проходных агрегатах и нанесении защитного покрытия. Кроме того, высокое содержание титана в стали, ближе к верхнему пределу, указанному в формуле, приводит к снижению качества поверхности стальной полосы и, соответственно, адгезии цинкового покрытия.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении штампуемости стали независимо от режима термической обработки и нанесения защитного покрытия, а также в повышении качества поверхности стальной полосы, и следовательно, адгезии защитного покрытия.

Технический результат достигается тем, что в 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 и дрессировку, выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод - 0,002-0,008,

кремний - 0,005-0,025,

марганец - 0,05-0,20,

фосфор - 0,005-0,025,

сера - 0,003-0,012,

алюминий - 0,02-0,07,

азот - 0,002-0,007,

титан - 0,02-0,05,

ниобий - 0,001-0,080.

железо и неизбежные примеси - остальное,

горячую прокатку заканчивают при температуре, определяемой из соотношения:

где Т_к.п.- температура конца прокатки, °С,

[Nb] и [С] - содержание ниобия и углерода в стали, соответственно, мас.%,

а рекристаллизационный отжиг осуществляют в проходной печи при температуре, назначаемой в зависимости от содержания ниобия в стали в соответствии с уравнением:

где Т_отж. - температура термической обработки, °С,

[Nb] - содержание ниобия в стали, маc. %.

Сущность изобретения заключается в том, что для обеспечения высокой штампуемости требуется отсутствие в феррите примесей внедрения - углерода и азота, а также сравнительно крупное ферритное зерно, которое определяется исходным зерном феррита в горячекатаном подкате, а также полнотой протекания рекристаллизационных процессов при отжиге.

Предлагаемый химический состав стали обеспечивает достаточно полное удаление из твердого раствора примесей внедрения - углерода и азота; при этом азот связывается преимущественно в нитрид титана, а углерод - в карбид ниобия.

Для формирования сравнительно крупного зерна феррита после горячей прокатки необходимо, чтобы прокатка была закончена при температурах более высоких, чем температура начала выделения карбида ниобия. При достаточно высоком содержании в стали углерода и ниобия повышается температура выделения частиц карбида ниобия (выше 900°С), и становится возможным их выделение в процессе горячей прокатки, что отрицательно влияет на характеристики зеренной структуры и текстуры стали, ухудшая штампуемость. С этим связана необходимость назначения температуры конца прокатки в зависимости от содержания ниобия и содержания углерода в соответствии с выражением (1). При выполнении данного условия процессы динамической рекристаллизации завершаются в отсутствии частиц карбида ниобия, при этом измельчения зерна не происходит.

Присутствие в стали ниобия смещает температурный интервал рекристаллизации при отжиге в сторону более высоких температур, что особенно заметно при непрерывном отжиге. Поэтому температура отжига в проходной печи должна назначаться в зависимости от содержания ниобия в стали в соответствии с уравнением (2). Это обеспечивает полное протекание рекристаллизационных процессов при непрерывном отжиге и получения требуемых характеристик штампуемости: высоких значений показателей коэффициента нормальной пластической анизотропии r, коэффициента деформационного упрочнения n, относительного удлинения δ₄, низких значений предела текучести σ_т.

Для обеспечения высокого качества поверхности стальной полосы и, следовательно, адгезии защитного покрытия необходимо ограничить максимальное значение содержания титана - не более 0,05%. Это связано с тем, что при повышении содержания титана в стали увеличивается количество неметаллических включений, содержащих титан и оказывающих отрицательное влияние на качество поверхности, в частности приводящих к появлению плен при прокатке. Это, в свою очередь, ухудшает адгезию защитного покрытия к стальной полосе.

Ограничение нижнего предела содержания углерода, азота, фосфора 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 углерода, азота и серы выше верхних пределов формулы изобретения приводит к необходимости увеличения количества микролегирующих элементов, что, как показано выше, может приводить к ухудшению штампуемости (при большом количестве углерода и ниобия), а также повышает стоимость металлопродукции.

Верхний предел содержания кремния связан с отрицательным влиянием повышенного содержания кремния на адгезию покрытия. Верхний предел содержания марганца связан с его отрицательным влиянием 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 связано с его отрицательным влиянием на адгезию защитного покрытия из-за увеличения количества нитридов алюминия и, следовательно, структурной неоднородности.

Минимальное содержание титана и ниобия определяется требованием достаточного удаления из твердого раствора примесей внедрения. Увеличение содержания титана и ниобия выше верхнего предела помимо отрицательного влияния на адгезию защитного покрытия и на штампуемость приводит к удорожанию стали.

Примеры конкретного выполнения способа

Четыре плавки сверхнизкоуглеродистых сталей были выплавлены в 300-тонном конвертере ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат” и разлиты на установке непрерывной разливки в слябы сечением 250×1290 мм. Горячую прокатку слябов на полосы толщиной 3,0 мм проводили на стане “2000”. Температура конца прокатки составляла 880-920°С. Полосы после душирования сматывали в рулоны при температуре 700°С. После травления и холодной прокатки на полосы толщиной 0,8 мм полосы подвергали рекристаллизационному отжигу с нанесением цинкового покрытия в агрегате непрерывного горячего цинкования. Температура отжига составляла 750-880°С. После дрессировки со степенью обжатия 0,8% проводили комплексные механические испытания оцинкованного металла, а также оценивали качество нанесения покрытия.

Вариант 1 - сталь, содержащая 0,008% углерода, 0,014% кремния, 0,18% марганца, 0,018% фосфора, 0,008% серы, 0,04% алюминия, 0,005% азота, 0,02% титана, 0,08% ниобия, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 7300/(3,0-Ig[Nb] [С])-253 составило 906°С, а температура конца прокатки составляла 880°С, то есть соотношение (1) не соответствовало формуле изобретения, выражение (750+1850[Nb])±20 составило 878-918°С, а температура отжига была 880°С, то есть соответствовала формуле изобретения.

Вариант 2 - сталь, содержащая 0,006% углерода, 0,013% кремния, 0,20% марганца, 0,015% фосфора, 0,009% серы, 0,02% алюминия, 0,003% азота, 0,03% титана, 0,07% ниобия, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 7300/(3,0-Ig[Nb][C])-253 составило 871°С, а температура конца прокатки составляла 900°С, то есть соотношение (1) соответствовало формуле изобретения, выражение (750+1850[Nb])±20 составило 860-900°С, а температура отжига была 850°С, то есть не соответствовала формуле изобретения.

Вариант 3 - сталь, содержащая 0,004% углерода, 0,011% кремния, 0,17% марганца, 0,016% фосфора, 0,006% серы, 0,06% алюминия, 0,025% титана, 0,05% ниобия, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 7300/(3,0-Ig[Nb][C])-253 составило 817°С, а температура конца прокатки составляла 910°С, то есть соотношение (1) соответствовало формуле изобретения, выражение (750+1850[Nb])±20 составило 823-863°С, а температура отжига была 850°С, то есть соответствовала формуле изобретения. Данный вариант полностью соответствовал формуле изобретения.

Вариант 4 - сталь, содержащая 0,005% углерода, 0,014% кремния, 0,15% марганца, 0,016% фосфора, 0,008% серы, 0,05% алюминия, 0,07% титана, 0,05% ниобия, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси, при этом выражение 7300/(3,0-Ig[Nb][C])-253 составило 833°С, а температура конца прокатки составляла 920°С, то есть соотношение (1) соответствовало формуле изобретения, выражение (750+1850[Nb])±20 составило 823-863°С, а температура отжига была 850 С, то есть соответствовала формуле изобретения. Данный вариант не соответствовал формуле изобретения по содержанию титана - 0,07 вместо 0,02-0,05%.

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).

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 64 определяли на базе 80 мм (A₈₀).

Результаты механических испытаний приведены в таблице. Определяли основные механические характеристики: предел текучести σ_т относительное удлинение б₄, коэффициент нормальной пластической анизотропии r и коэффициент деформационного упрочнения n. Критерием обеспечения требуемой штампуемости считали получение значения предела текучести холоднокатаного проката σ_т не выше 175 Н/мм², относительного удлинения б₄ не менее 40%, значения коэффициента нормальной пластической анизотропии r не менее 2,0 и значение коэффициента деформационного упрочнения n не менее 0,20.

Для оценки качества соединения цинкового покрытия с основным металлом использовали методику испытаний на изгиб на угол 180° без отправки в соответствии с ГОСТ 14918-80. Результаты испытаний для исследованных плавок также представлены в таблице.

Для стали по варианту 1 значение предела текучести σ_т получено выше требуемого (190 Н/мм² вместо 175 Н/мм²), что связано с измельчением зерна феррита уже после горячей прокатки из-за невыполнения соотношения (1). Для варианта 2 из-за неполного протекания рекристаллизационных процессов (невыполнения соотношения 2) получены низкие значения характеристик пластичности δ₄ (38% вместо 40%) и штампуемости r (1,8 вместо 2,0). Для вариантов 3 и 4 комплекс механических характеристик очень высок. Однако для варианта 4 из-за повышенного содержания титана получено неудовлетворительное качество соединения покрытия с основой.

Таким образом, только холоднокатаная сталь, полученная по варианту 3, соответствующему формуле изобретения, имеет высокие показатели прочности и штампуемости при удовлетворительном качестве соединения покрытия с основой.

То есть использование настоящего изобретения существенно повышает штампуемость стали даже после рекристаллизационного отжига в проходном агрегате и нанесения цинкового покрытия, а также качество соединения покрытия с основой.