Результат интеллектуальной деятельности: СТАЛЬ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ (ВАРИАНТЫ)

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

Основными требованиями, предъявляемыми к такой стали, являются высокая штампуемость и коррозионная стойкость, в частности, в условиях атмосферного воздействия. В последнее время повышаются требования и к уровню прочностных характеристик. Это диктуется необходимостью повышения безопасности, а также ужесточением экологических требований по уменьшению вредных веществ в выхлопе автомобиля, требующем снижения его массы.

Известна сталь и выполненное из нее изделие - холоднокатаный конструкционный лист для штамповки деталей автомобилей, тракторов и сельхозмашин, содержащая углерод, марганец, медь, алюминий, бор, фосфор, азот и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,02-0,07

Марганец 0,15-0,30

Медь 0,02-0,30

Алюминий 0,03-0,07

Бор 0,0005-0,005

Фосфор 0,04-0,10

Азот 0,001-0,007

Железо Остальное

(А.с. СССР № 1741459, МПК С 22 С 38/16, опубл. 10.11.1995).

Холоднокатаный лист из такой стали имеет высокую штампуемость и коррозионную стойкость в некоторых средах, в частности в водном растворе серной кислоты. Однако в атмосфере и в водных средах, содержащих ионы хлора, коррозионная стойкость холоднокатаного листа из такой стали недостаточна. Кроме того, повышенное содержание алюминия может также оказывать отрицательное влияние на коррозионную стойкость из-за присутствия в структуре значительного количества неметаллических включений.

Известна сталь и выполненные из нее изделия, например, в виде горячекатаных полос толщиной 2-4 мм, холоднокатаных полос толщиной 0,5-1,5 мм, предназначенных для изготовления штамповкой деталей сложной формы. Сталь содержит следующие компоненты, мас.%:

Углерод 0,01-0,1

Марганец 0,1-0,9

Кремний 0,01-0,50

Медь 0,01-0,10

Алюминий 0,02-0,07

Бор 0,0001-0,0050

Кальций 0,0005-0,0040

Титан 0,001-0,030

Азот 0,002-0,010

Фосфор 0,005-0,12

Ванадий 0,001-0,08

Ниобий 0,001-0,05

Хром 0,01-0,10

Никель 0,01-0,10

Железо и неизбежные примеси Остальное

(Патент РФ 2190685, МПК С 22 С 38/54, опубл. 10.10.2002). Указанное изобретение направлено на обеспечение возможности изготовления деталей из листового проката сложной формы с необходимой прочностью, в том числе тонкостенных и малого веса. Однако изделия из такой стали имеют низкую коррозионную стойкость. В частности, при наличии кальция в стали возможно присутствие неметаллических включений, оказывающих отрицательное влияние на коррозионную стойкость в ряде сред, в частности в атмосфере.

Известна сталь и выполненные из нее изделия, например, в виде горячекатаных полос толщиной порядка 3 мм, холоднокатаных 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. Сталь содержит следующие компоненты, 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

(Патент РФ 2190684, МПК С 22 С 38/50, опубл. 10.10.2002). Указанное изобретение позволяет повысить значения коэффициента нормальной пластической анизотропии и показателя упрочнения при отсутствии старения стали после рекристаллизационного отжига. Однако и коррозионная стойкость, и прочностные характеристики такой стали невысоки.

Наиболее близким аналогом являются высокопрочная сталь для глубокой вытяжки и изделия, выполненные из нее, в том числе холоднокатаные листы толщиной 0,8-0,9 мм, предназначенные для изготовления деталей автомобилей с высоким уровнем нагружения. Сталь содержит следующие компоненты, мас.%:

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

Сталь может дополнительно содержать 0,01-0,15 мас.% ниобия и/или 0,0005-0,005 мас.% бора (Патент РФ 2061782, МПК С 22 С 38/50, опубл. 10.06.1996 - прототип изобретений ″сталь″ и ″изделие″).

Указанное изобретение (прототип) направлено на стабилизацию прочностных характеристик при благоприятной для штамповки текстуре, повышение пластических и коррозионных свойств, увеличение выхода годного, упрочнения при сушке лакокрасочного покрытия в готовых деталях, повышение равномерности распределения механических свойств по длине рулона, снижение температуры хрупковязкого перехода и обеспечение вторичного использования отходов. Однако изделия из указанной стали имеют низкую коррозионную стойкость в атмосфере и в водных хлорсодержащих средах. Кроме того, при содержании углерода и титана в стали ближе к верхним пределам, указанным в формуле, возможно снижение характеристик штампуемости.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является оптимизация химического состава стали с обеспечением технического результата в виде повышения коррозионной стойкости и технологической пластичности стали при проведении холодного деформирования в листовой штамповке, характеризующегося высокой интенсивностью пластической деформации, при сохранении прочностных характеристик стали и готового изделия.

Технический результат достигается тем, что в известной стали для глубокой вытяжки, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, медь, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению назначают содержание компонентов в соотношении, мас.%:

Углерод 0,002-0,010

Кремний 0,002-0,030

Марганец 0,07-0,30

Фосфор 0,04-0,12

Сера 0,005-0,012

Хром 0,007-0,040

Никель 0,007-0,040

Медь 0,2-0,6

Алюминий 0,02-0,06

Азот 0,002-0,007

Железо и неизбежные примеси Остальное,

при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди должно быть не менее 0,55 мас.%, сталь дополнительно содержит 0,0007-0,0050 мас.% бора, а также тем, что изделие выполняют из указанной стали. Как вариант, технический результат достигается также тем, что в известной стали для глубокой вытяжки, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, медь, алюминий, титан, азот, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению назначают содержание компонентов в соотношении, мас.%:

Углерод 0,002-0,010

Кремний 0,002-0,030

Марганец 0,07-0,30

Фосфор 0,04-0,12

Сера 0,005-0,012

Хром 0,007-0,040

Никель 0,007-0,040

Медь 0,2-0,6

Алюминий 0,02-0,06

Титан 0,02-0,12

Азот 0,002-0,007

Железо и неизбежные примеси Остальное,

при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди должно быть не менее 0,55 мас.%, при этом соотношение содержания титана, азота, серы и углерода должно удовлетворять условию:

(Ti_общ.-3,43N-1,5S)×(С)≤0,00015, (1)

где Ti, N, S и С - содержание титана, азота, серы и углерода соответственно, мас.%, сталь дополнительно содержит 0,0007-0,0050 мас.% бора, а также тем, что изделие выполняют из указанной стали.

Как вариант, технический результат достигается также тем, что в известной стали для глубокой вытяжки, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, медь, алюминий, титан, ниобий, азот, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению назначают содержание компонентов в соотношении, мас.%:

Углерод 0,002-0,010

Мремний 0,002-0,030

Марганец 0,07-0,30

Фосфор 0,04-0,12

Сера 0,005-0,012

Хром 0,007-0,040

Никель 0,007-0,040

Медь 0,2-0,6

Алюминий 0,02-0,06

Титан 0,02-0,12

Ниобий 0,001-0,060

Азот 0,002-0,007

Железо и неизбежные примеси Остальное,

при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди должно быть не менее 0,55 мас.%, при этом соотношение содержания титана, азота, серы и углерода должно удовлетворять условию

(Ti_общ.-3,43N-1,5S)×(С)≤0,00015, (1)

где Ti, N, S и С - содержание титана, азота, серы и углерода соответственно, мас.%, сталь дополнительно содержит 0,0007-0,0050 мас.% бора, а также тем, что изделие выполняют из указанной стали.

Сущность изобретения заключается в том, что для обеспечения высокой коррозионной стойкости требуется совместное легирование стали медью и фосфором при ограничении содержания в ней кремния и марганца. При этом требуемые прочностные характеристики стали обеспечиваются твердорастворным упрочнением из-за присутствия в растворе элементов замещения - марганца, меди и фосфора. С этой целью ограничивают минимальное значение их суммарного содержания - не менее 0,55%. При этом фосфор благоприятно влияет на пластическую анизотропию, тем самым улучшая штампуемость стали. Для обеспечения высокой штампуемости сталей повышенной прочности и коррозионной стойкости целесообразно микролегирование стали титаном или титаном совместно с ниобием в таком количестве, чтобы обеспечить удаление из твердого раствора примесей внедрения - углерода и азота, что реализуется во втором и третьем вариантах изобретения. Используемые в настоящее время формулы для расчета требуемого содержания микролегирующих элементов учитывают необходимость связывания в карбиды, нитриды и карбосульфиды присутствующих в стали углерода, азота и серы. В то же время при достаточно высоком содержании в стали углерода и титана повышается температура выделения частиц карбида титана (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 ограничения содержания титана, остающегося в твердом растворе после связывания азота и серы, и содержания углерода в соответствии с выражением (1). Негативным моментом, возникающим при введении в сталь фосфора, может быть охрупчивание металла из-за склонности атомов фосфора к сегрегации на границах зерен. Дополнительное микролегирование бором, атомы которого препятствуют миграции фосфора к границам зерен, гарантирует сохранение высокой пластичности стали.

Ограничение нижнего предела содержания углерода определяется тем, что присутствие в стали углерода в количестве не менее 0,002 мас.% необходимо для реализации ВН-эффекта (Bake Hardening Effect), что позволяет сочетать низкий предел текучести (что важно для штампуемости) со способностью стали к существенному упрочнению в процессе сушки лакокрасочного покрытия, нанесенного на отштампованное изделие.

Ограничение нижнего предела содержания 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 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 титана), а также повышает стоимость металлопродукции.

Верхние пределы содержания кремния и марганца связаны с отрицательным влиянием указанных элементов на коррозионную стойкость стали. Ограничение нижних пределов содержания указанных элементов в основном диктуется экономическими соображениями, так как дальнейшее снижение их содержания не приводит к повышению качества стали.

Нижние пределы содержания меди и фосфора соответственно 0,2 и 0,04% нормируются для гарантии повышенной коррозионной стойкости.

Ограничение верхнего предела содержания фосфора 0,12% связано с тем, что при его повышенном содержании в стали может происходить охрупчивание границ зерен.

Ограничение содержания меди значением 0,6% необходимо для предотвращения появления трещин в процессе горячей прокатки, а также рационального ограничения прочности стали перед штамповкой.

Минимальное содержание алюминия в стали определяется необходимостью достаточного раскисления стали. Ограничение верхнего предела содержания алюминия связано с его отрицательным влиянием на коррозионную стойкость.

Снижение содержания хрома и никеля ниже 0,007% приводит к снижению коррозионной стойкости стали, а увеличение их содержания выше 0,04% может отрицательно влиять на штампуемость.

Минимальное содержание титана и ниобия определяется требованием достаточного удаления из твердого раствора примесей внедрения. Увеличение содержания титана и ниобия выше верхнего предела приводит к удорожанию стали без положительного влияния на свойства.

Минимальное содержание бора определяется целесообразностью предотвращения охрупчивания стали в присутствии фосфора. Увеличение содержания бора выше верхнего предела может приводить к снижению штампуемости стали.

Примеры конкретного выполнения изобретения

Пять плавок сверхнизкоуглеродистых сталей были выплавлены в 300-тонном конвертере ОАО ″Северсталь″ и разлиты на установке непрерывной разливки в слябы сечением 250×1290 мм. Слябы прокатывали в горячую на стане ″2000″ на полосы толщиной 3,0 мм. Температура конца прокатки составляла 900°С. Полосы после душирования сматывали в рулоны при температуре 700°С. После травления и холодной прокатки на полосы толщиной 0,9 мм полосы в рулонах металла подвергали термической обработке в колпаковых печах с водородной защитной атмосферой при температуре 680°С. После дрессировки со степенью обжатия 1,0% проводили комплексные механические испытания и холоднокатаного, и оцинкованного металла, а также коррозионные испытания холоднокатаного металла.

Плавка 1 - сталь, содержащая 0,01% углерода, 0,015% кремния, 0,20% марганца, 0,05% фосфора, 0,008% серы, 0,011% хрома, 0,020% никеля, 0,4% меди, 0,04% алюминия, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси, при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди составило 0,65%, плавка соответствует п.1 и 3 формулы изобретения.

Плавка 2 - сталь, содержащая 0,004% углерода, 0,012% кремния, 0,25% марганца, 0,040% фосфора, 0,009% серы, 0,012% хрома, 0,012% никеля, 0,4% меди, 0,02% алюминия, 0,05% титана, 0,003% азота, железо и неизбежные примеси, при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди составило 0,69%, а произведение в левой части выражения (1) - 0,00010%, плавка соответствует п.4 и 6 формулы изобретения.

Плавка 3 - сталь, содержащая 0,005% углерода, 0,012% кремния, 0,18% марганца, 0,045% фосфора, 0,007% серы, 0,015% хрома, 0,011% никеля, 0,55% меди, 0,06% алюминия, 0,025% титана, 0,05% ниобия, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси, при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди составило 0,775, а произведение в левой части выражения (1) - 0,000039, плавка соответствует п.7 и 9 формулы изобретения.

Плавка 4 - сталь, содержащая 0,06% углерода, 0,011% кремния, 0,25% марганца, 0,045% фосфора, 0,007% серы, 0,010% хрома, 0,015% никеля, 0,3% меди, 0,04% алюминия, 0,004% азота, 0,001% бора, железо и неизбежные примеси, при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди составило 0,595%, плавка соответствует п.2 и 3 формулы изобретения;

Плавка 5 - сталь, содержащая 0,005% углерода, 0,012% кремния, 0,56% марганца, 0,05% фосфора, 0,008% серы, 0,03% хрома, 0,04% никеля, 0,09% меди, 0,05% алюминия, 0,09% титана, 0,004% азота, железо и неизбежные примеси, при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди составило 0,7, а произведение в левой части выражения (1) - 0,00032, плавка не соответствует ни одному из вариантов изобретения из-за более высокого содержания марганца, низкого содержания меди и невыполнения условия (1).

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 δ₄ определяли на базе 80 мм (A₈₀).

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 σ₂ - напряжение при деформации 2%;

2) образцы помещали в печь, нагретую до температуры 170±10°С, и выдерживали в течение 20 минут;

3) образцы испытывали на растяжение, определяя величину ВН-эффекта, как разницу между пределом текучести σ_т (ВН) и σ₂.

Результаты механических и коррозионных испытаний приведены в таблице. Определяли основные механические характеристики, предусмотренные нормативно-технической документацией (НТД) для сталей данного класса. К ним относятся предел текучести σ_т, предел прочности σ_в, отношение предела текучести к пределу прочности, относительное удлинение δ₄, коэффициент нормальной пластической анизотропии r и коэффициент деформационного упрочнения n. Критерием обеспечения требуемой прочности считали получение значения предела текучести холоднокатаного проката не ниже 220 Н/мм² или получение значения предела текучести не ниже 200 Н/мм² при обеспечении ВН-эффекта не менее 30 Н/мм². Критерием высокой технологической пластичности и штампуемости считали обеспечение значения коэффициента нормальной пластической анизотропии r не менее 1,8, значения коэффициента деформационного упрочнения n не менее 0,18, отношения предела текучести к пределу прочности не более 0,65 и значения относительного удлинения не менее 36%.

В качестве метода коррозионных испытаний образцов холоднокатаного проката был использован способ переменного погружения образцов автолистовой стали в раствор 3,5% NaCl с пребыванием в нем 10 минут и последующим выносом на воздух (50 минут), в соответствии со стандартом ASTM G 44-75 (Метод 1). Коррозионную стойкость оценивали по приросту массы (привесу) на единицу площади поверхности образца за 30 циклов испытаний. Если значение прироста массы составляло не более 5 г/м², то коррозионную стойкость считали удовлетворительной. Кроме того, для оценки коррозионной стойкости применяли следующие ускоренные испытания: погружение в 5%-ный раствор H₂SO₄ (метод 2), выдержка в специальной камере с воздушной средой при температуре 40°С и влажностью 98% (метод 3), испытания на специальной лабораторной установке, рабочее пространство которой заполняется туманом, образующимся от введения в него водного раствора NaCl (метод 4). При использовании методов 2 и 3 коррозионную стойкость оценивали по потерям массы. При использовании метода 4 испытывали образцы после нанесения лакокрасочного покрытия и нанесения на покрытие надреза. Коррозионную стойкость оценивали по ширине зоны распространения коррозии от места надреза. Результаты испытаний для исследованных методов также представлены в таблице.

Для плавок 2, 3, 5 значения предела текучести получены не ниже 220 Н/мм². Для плавок 1 и 4 получено значение предела текучести 200-210 Н/мм², однако из-за склонности этих плавок к ВН-эффекту на уровне 40-45 Н/мм² в готовом изделии из этой стали предел текучести будет составлять 240-255 Н/мм². То есть все исследованные плавки имеют повышенную прочность. Для сталей плавок 1-4 получены высокие показатели штампуемости: низкие значения отношения предела текучести к пределу прочности, высокие значения показателей r и n и относительного удлинения. Особенно высокий комплекс механических характеристик получен для сталей плавок 2-4. Для плавки 5 получены неудовлетворительные значения показателя n, относительного удлинения и отношения предела текучести к пределу прочности.

Холоднокатаный прокат из стали плавки 5 из-за высокого содержания марганца и низкого содержания меди имеет низкую коррозионную стойкость. Для остальных плавок коррозионная стойкость удовлетворительная.

Таким образом, холоднокатаный прокат из сталей плавок 1-4, соответствующих пп.1-9 формулы изобретения, имеет высокие показатели прочности и штампуемости при удовлетворительной коррозионной стойкости. Прокат из стали плавки 5 имеет неудовлетворительные показатели штампуемости и низкую коррозионную стойкость.

То есть использование настоящего предложения существенно повышает коррозионную стойкость и технологическую пластичность стали для глубокой вытяжки и изделий, выполненных из нее, при сохранении прочностных характеристик.