способ производства горячекатаного проката повышенной прочности

Формула изобретения

1. Способ производства горячекатаного проката повышенной прочности, включающий выплавку низколегированной стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,045-0,12
кремний	не более 0,50
марганец	0,35-1,15
алюминий	0,01-0,09
азот	не более 0,010
ниобий и/или титан	0,01-0,08 каждого
железо и неизбежные примеси	остальное

при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 510-640°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сталь дополнительно содержит ванадий в количестве 0,01-0,08 мас.%.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не превышает 0,117 мас.%.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что сталь дополнительно содержит кальций в количестве 0,0005-0,010 мас.%.

5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание углерода связано с требуемым классом прочности зависимостью:

[С]=(0,0002·К_пр+0,002)±0,02, мас.%,

где 0,0002 - эмпирический коэффициент, %;

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

0,002 - эмпирический коэффициент, %.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание марганца связано с требуемым классом прочности зависимостью:

[Мn]=(0,0022·К_пр-0,15)±0,20, мас.%,

где 0,0022 - эмпирический коэффициент, %;

К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому

минимальному пределу текучести;

0,15 - эмпирический коэффициент, %.

7. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что суммарное содержание ниобия, титана и ванадия связано с требуемым классом прочности зависимостью:

[Nb+Ti+V]=(0,0002·K _пр-0,013)±0,03, мас.%,

где 0,0002 - эмпирический коэффициент, %;

К_пр - безразмерный показатель, численно равный требуемому

минимальному пределу текучести;

0,013 - эмпирический коэффициент, %.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства горячекатаного 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. Горячекатаные полосы с повышенной прочностью и высокой способностью к вытяжке в зависимости от класса прочности должны соответствовать определенному комплексу механических свойств, например, согласно требованиям европейского стандарта EN 10149 (таблица 1):

Таблица 1
Класс прочности*	Марка	Минимальный предел текучести (RеH), Н/мм2	Временное сопротивление (Rm), Н/мм2	Минимальное относительное удлинение А, %
		<3 мм Lc=80 мм	>3 мм Lc=5,65 S0
315	S315MC	315	390-510	20	24
355	S355MC	355	430-550	19	23
420	S420MC	420	480-620	16	19
460	S460MC	460	520-670	14	17
500	S500MC	500	550-700	12	14
Примечание: *Класс прочности заложен в наименование марки по EN 10292-04. Числовое значение соответствует минимальному пределу текучести.

Известен способ производства горячекатаных полос из стали с содержанием углерода до 0,1 вес.%, в котором при горячей прокатке температуру конца прокатки принимают равной 860-890°С, душирование полос начинают через 7-9 с после конца прокатки, а температуру смотки принимают равной 640-700°С, при этом дрессировку полос для получения их матовой поверхности осуществляют в валках с высотой микронеровностей бочек Ra=2,2-2,7 мкм и для получения шероховатостей поверхности - с Ra=2,9-4,0 мкм [Патент РФ № 2255990, МПК С21D 8/04, 10.07.2005 г.].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 315 до 500.

Известен способ производства горячекатаных полос из стали с содержанием углерода в пределах 0,01-0,1%, в котором при горячей прокатке температуру конца прокатки принимают равной 780-800°С, охлаждение до температуры смотки ведут со скоростью 9-13 град/с, травление ведут при 60-80°С, а дрессировку проводят с относительным обжатием 0,5-1,0% [Патент РФ № 2164248, МПК С21D 8/04, С21D 9/46, 20.03.2001 г.].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств классов прочности от 315 до 500.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства горячекатаных полос, включающий выплавку сверхнизкоуглеродистой стали с примесями серы и азота, легированной титаном с содержанием элементов, удовлетворяющим соотношению Ti/(4·C+3,43·N+1,5·S)=1÷1,5, при котором горячую прокатку завершают при температуре 885-915°С, охлаждение ведут до температуры 685-715°С, затем полосы подвергают дрессировке с обжатием 0,8-1,2% [Патент РФ № 2202630, МПК С21D 8/04, 20.04.2003 г.] - прототип.

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает требуемого уровня механических свойств проката классов прочности от 315 до 500.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение прочностных характеристик стали при сохранении штампуемости, а также получение горячекатаного проката требуемого класса прочности.

Технический результат достигается тем, что в способе производства горячекатаного проката повышенной прочности, включающем выплавку низколегированной стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую углерод 0,045-0,12%, кремний - не более 0,50%, марганец - 0,35-1,15%, алюминий - 0,01-0,09%, азот - не более 0,010%; ниобий и/или титан - 0,01-0,08% каждого, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом температуру конца прокатки поддерживают в диапазоне 830-880°С, а температуру смотки - в диапазоне 510-640°С. Сталь может дополнительно содержать ванадий в количестве 0,01-0,08%, а также кальций в количестве 0,0005-0,010%, при этом суммарное содержание ниобия, титана и ванадия не должно превышать 0,117 мас.%.

Согласно изобретению содержание углерода, марганца и суммарное содержание ниобия, титана и ванадия связаны с требуемым классом прочности соотношениями:

где [С] - содержание углерода в стали, %;

[Mn] - содержание марганца в стали, %;

[Nb+Ti+V] - суммарное содержание ниобия, титана, ванадия, %;

0,0002, 0,002, 0,0022, 0,15, 0,013 - эмпирические коэффициенты, %;

К_пр - 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 0,045% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода более 0,12% приводит к снижению пластичности стали, что недопустимо.

Кремний в стали применен как раскислитель и легирующий элемент. При содержании кремния в стали более 0,50% резко снижается пластичность, имеет место охрупчивание стали.

Марганец обеспечивает получение заданных механических свойств. При содержании марганца менее 0,35% прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,15% 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 0,09% приводит к ухудшению комплекса механических свойств.

Азот упрочняет сталь. При содержании азота более 0,010% сталь становится склонной к старению.

Ниобий, титан и ванадий применены как легирующие элементы и обеспечивают получение необходимых прочностных свойств. При содержании ниобия, титана, ванадия менее 0,01% не удается получить требуемый уровень прочности. Увеличение содержания ниобия, титана или ванадия более 0,08% нецелесообразно вследствие чрезмерного упрочнения стали и ухудшения пластичности.

Кальций применен в пределах 0,0005-0,010% как высокоактивный элемент для усиливающего раскисляющего действия алюминия и удаления из расплава в шлак фосфора, серы, кислорода, что приводит к изменению фазового состава и улучшения формы (глобулязации) оксидных включений, а также уменьшению их количества.

Горячая прокатка с температурами конца прокатки 830-880°С и смотки 510-640°С обеспечивает формирование оптимальной текстуры металла 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.

Экспериментально установлено, что верхний предел суммарного содержания ниобия, титана и ванадия ограничен значением 0,117%. При увеличении суммарного содержания [Nb+Ti+V] более 0,117% ухудшается пластичность проката из-за чрезмерного упрочнения стали.

Экспериментально установлено, что для получения требуемого класса прочности содержание углерода, марганца, а также суммарного содержания ниобия, титана и ванадия должно быть регламентировано в соответствии с зависимостями: [С]=(0,0002·К_пр+0,002)±0,02, %; [Мn]=(0,0022·К _пр-0,15)±0,20, %; [Nb+Ti+V]=(0,0002·К_пр -0,013)±0,03, %.

Примеры реализации способа

В кислородном конвертере выплавляли низколегированные 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 часов 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.

Таблица 2 Химический состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание элементов, мас.%
	С	Si	Mn	Al	N	Nb	Ti	V	Са	Fe и неизбежные примеси
1	0,03	0,03	0,30	0,05	0,006	0,004	0,003	0,003	0,0002	Ост.
2	0,045	0,003	0,35	0,05	0,005	0,010	0,005	0,005	0,0005	Ост.
3	0,07	0,20	0,70	0,01	0,005	0,030	0,010	0,005	0,005	Ост.
4	0,08	0,42	0,82	0,04	0,010	0,002	0,002	0,080	0,010	Ост.
5	0,09	0,45	0,93	0,05	0,006	0,003	0,080	0,013	0,0004	Ост.
6	0,12	0,50	1,15	0,09	0,005	0,080	0,025	0,010	0,0007	Ост.
7	0,13	0,55	1,20	0,05	0,011	0,085	0,015	0,025	0,011	Ост.
8 (прототип)	0,003	-	-	-	0,005	-	0,051	-	-	Ост.
Примечание: состав № 8 содержит серу в количестве 0,008 мас.%

В таблице 3 приведены варианты реализации способа производства горячекатаного проката, а также показатели механических свойств.

Таблица3 Технологические параметры производства горячительного проката и показатели механических свойств
№ состава	Температура конца прокатки Ткп,°С	Температура смотки Тсм, °С	Предел текучести т (ReH), Н/мм2	Предел прочности в, (Rm), Н/мм2	Относительное удлинение 80, (А), %
1	885	665	280	350	29
2	880	640	345	405	26
3	855	620	380	455	23
4	845	580	435	505	21
5	840	550	475	530	17
6	830	510	515	560	14
7	827	505	530	580	10
8 (прототип)	900	700	230-235	340-345	1038

В таблицах 4-6 указано необходимое содержание углерода, марганца и [Nb+Ti+V] согласно зависимостям (1), (2), (3).

Таблица 4 Минимальное и максимальное содержание углерода, рассчитанное согласно зависимости [C]=(0,0002·Kпр +0,002)±0,02, %
№ состава	Содержание С, мас.%	Требуемый класс прочности Кпр	Содержание С, мас.% согласно зависимости [С]=(0,0002·К пр+0,002)±0,02, %
			Cmin	Cmax
1	0,03	315	0,045	0,085
2	0,045	315	0,045	0,085
3	0,07	355	0,053	0,093
4	0,08	420	0,066	0,106
5	0,09	460	0,074	0,114
6	0,12	500	0,082	0,122
7	0,13	500	0,082	0,122
8 (прототип)	0,03	315	0,045	0,085

Таблица 5 Минимальное и максимальное содержание марганца, рассчитанное согласно зависимости [Mn]=(0,0022·Kпр -0,15)±0,20, %
№ состава	Содержание Мn, мас.%	Требуемый класс прочности Kпр	Содержание Мn, мас.% согласно зависимости [Мn]=(0,0022·К пр-0,15)±0,20, %
			Mnmin	Mnmax
1	0,30	315	0,343	0,743
2	0,35	315	0,343	0,75
3	0,70	355	0,431	0,831
4	0,82	420	0,574	0,974
5	0,93	460	0,662	1,062
6	1,15	500	0,75	1,15
7	1,20	500	0,75	1,15
8 (прототип)	-	315	0,343	0,743

Таблица 6 Минимальное и максимальное содержание [Nb+Ti+V], рассчитанное согласно зависимости [Nb+Ti+V]=(0,0002·K пр-0,013)±0,03, %
№ состава	Содержание [Nb+Ti+V], мас.%	Требуемый класс прочности Кпр	Содержание (Nb+Ti+V), мас.% согласно зависимости [Nb+Ti+V]=(0,0002·К пр-0,013)±0,03, %
			[Nb+Ti+V] min	[Nb+Ti+V] max
1	0,01	315	0,02	0,08
2	0,02	315	0,02	0,08
3	0,045	355	0,028	0,088
4	0,084	420	0,041	0,101
5	0,096	460	0,049	0,109
6	0,015	500	0,057	0,117
7	0,125	500	0,057	0,117
8 (прототип)	0,051	315	0,02	0,08

Из таблиц 2-6 видно, что в случае реализации предложенного способа (составы № 2-6) и выполнении зависимостей (1)-(3) достигаются механические свойства с классами прочности от 315 до 500. При запредельных значениях заявленных параметров (составы № 1 и 7) и использовании способа-прототипа (состав № 8) классы прочности от 315 до 500 не достигаются: для состава № 1 классу прочности 315 не соответствует предел текучести и предел прочности; для состава № 7 классу прочности 500 не соответствует относительное удлинение; для способа-прототипа (состав № 8) классу прочности 315 не соответствует предел текучести и предел прочности.

Из проката изготавливали штамповкой высоконагруженные детали автомобиля, замечаний к штамповке у потребителя не было.