Способ производства холоднокатаных листов для глубокой вытяжки

Способ производства холоднокатаных листов для глубокой вытяжки

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к технологии изготовления стальных холоднокатаных листов с высокими вытяжными свойствами, и может быть использовано для холодной штамповки деталей кузовов легковых автомобилей.

Холоднокатаные листы для глубокой вытяжки, используемые при изготовлении штамповкой деталей кузовов легковых автомобилей, должны отвечать следующему комплексу механических свойств (таблица 1):

Таблица 1Свойства холоднокатаных листов для глубокой вытяжки
σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	δ4, %	Е, мм	R	n
250-320	110-165	не менее 54	не менее 12	не менее 1,6	не менее 2,9
Примечания: Е - глубина лунки по Эриксену; R - коэффициент нормальной пластической анизотропии; n - показатель деформационного упрочнения.

Известен способ производства стальных холоднокатаных полос для глубокой вытяжки, включающий черновую горячую прокатку слябов с обжатием не менее 85% при температуре от Ar₃ до 950°С, чистовую прокатку с обжатием не менее 65% в интервале температур от Ar₃ до 600°С, травление, отжиг при 700-920°С, холодную прокатку с обжатием не менее 65%, отжиг при температуре 720-920°С и дрессировку. Слябы имеют следующий химический состав, мас.%:

Углерод	не более 0,008
Кремний	не более 0,5
Марганец	не более 0,15
Сера	не более 0,02
Алюминий	0,01-0,10
Азот	не более 0,008
Титан	0,035-0,20
Ниобий	0,001-0,015
Железо	остальное

причем содержание элементов в стали должно удовлетворять формуле: 1,2·(C/12+N/14+S/32)<(Ti/48+Nb/93) [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает требуемого сочетания прочностных и пластических свойств холоднокатаных листов. Кроме того, двукратный отжиг усложняет и удорожает производство.

Известен также способ производства стальных холоднокатаных полос, включающий горячую прокатку слябов, травление полос, холодную прокатку со степенью деформации не менее 70% и отжиг при температуре 725-800°С. Сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	не более 0,006
Марганец	не более 1,5
Кремний	не более 0,1
Сера	не более 0,025
Титан	не более 0,085
Бор	0,0002-0,0020
Ниобий	не более 0,05
Железо и примеси	остальное

причем содержание элементов в стали должно удовлетворять формуле: Ti≥3,42·N+4·C [2].

Данный способ также не обеспечивает формирования требуемого комплекса механических свойств холоднокатаной листовой стали.

Известен способ производства листовой стали для глубокой вытяжки (автомобильный лист), включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы стали марки 08Ю следующего химического состава, мас.%:

Углерод	не более 0,07
Кремний	не более 0,01
Марганец	0,20-0,35
Алюминий	0,02-0,07
Фосфор	не более 0,020
Сера	не более 0,025
Хром	не более 0,06
Никель	не более 0,06
Медь	не более 0,06
Железо	Остальное [3]

Непрерывно литые слябы подвергают горячей прокатке в полосы с регламентированными температурами конца прокатки и смотки в рулоны. Горячекатаные полосы подвергают травлению и многопроходной 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% [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в том, что холоднокатаная листовая сталь имеет низкие вытяжные свойства (такие, как Е, δ₄, R, n) и, вследствие этого, низкий выход годных листов.

Наиболее близким аналогом к изобретению является способ производства холоднокатаных листов для глубокой вытяжки, включающий непрерывную разливку стальных слябов, горячую прокатку слябов в полосы, охлаждение водой до 540-730°С, смотку в рулон, холодную прокатку, отжиг при 700-750°С с выдержкой при этой температуре и дрессировку (2197542 С1, 27.01.2003).

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении вытяжных свойств и выхода годных листов.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе производства холоднокатаных листов для глубокой вытяжки, включающем непрерывную разливку стальных слябов, горячую прокатку слябов в полосы, охлаждение водой до 540-730°С, смотку в рулон, холодную прокатку, отжиг при 700-750°С с выдержкой при этой температуре и дрессировку, слябы прокатывают с температурой конца прокатки 850-910°С, холодную прокатку осуществляют с суммарным обжатием 65-88%, а выдержку при 700-750°С - в течение 10-25 ч.

Слябы разливают из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,001-0,006
Кремний	0,005-0,04
Марганец	0,05-0,25
Алюминий	0,01-0,08
Титан	0,01-0,09
Ниобий	не более 0,05
Бор	не более 0,001
Хром	не более 0,06
Никель	не более 0,06
Медь	не более 0,06
Сера	не более 0,012
Фосфор	не более 0,10
Азот	не более 0,006
Железо	Остальное

При выполнении соотношении элементов стали: Ti/3,43N≥1; Nb/7,75C≥1 обжатие при дрессировке устанавливают равным 0,20-0,60%, где Ti - титан, N - азот, Nb - ниобий, С - углерод.

При выполнении соотношения элементов стали: Ti/3,43N<1; Nb/7,75С <1 обжатие при дрессировке устанавливают равным 0,61-1,2%, Ti - титан, Nb - ниобий, С - углерод.

Слябы разливают из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,001-0,006
Кремний	0,005-0,04
Марганец	0,05-0,25
Алюминий	0,01-0,08
Титан	0,01-0,09
Бор	не более 0,001
Хром	не более 0,06
Никель	не более 0,06
Медь	не более 0,06
Сера	не более 0,012
Фосфор	не более 0,10
Азот	не более 0,006
Железо	Остальное

При соотношении содержания элементов в стали Ti/(4C+3,43N+1,5S)≥1 обжатие при дрессировке устанавливают равным 0,20-0,60%, где С - углерод, Ti - титан, N - азот, S - cepa.

При соотношении содержания элементов в стали: Ti/(4C+3,43N+1,5S)<1 обжатие при дрессировке устанавливают равным 0,61-1,2%, где С - углерод, Ti - титан, N - азот, S - cepa.

Сущность изобретения состоит в следующем. На вытяжные свойства холоднокатаных листов влияют как химический состав стали, так и режимы деформационно-термической обработки. Горячая прокатка сверхнизкоуглеродистой стали с температурами конца прокатки и смотки 850-910°С и 540-730°С соответственно обеспечивает формирование оптимальной текстуры металла, которая после холодной прокатки и термообработки по предложенным режимам трансформируется в текстуру с преобладающей кристаллографической ориентировкой <111>. Холодная прокатка с обжатием 65-88% исключает необходимость промежуточного отжига для повышения вытяжных свойств. Отжиг холоднокатаной стали при температуре 700-750°С в течение 10-25 ч позволяет очистить ферритную матрицу от карбидов, и при сохранении заданной прочности обеспечить высокие показатели Е, R и n, предопределяющие высокую штампуемость холоднокатаных листов.

Экспериментально установлено, что при повышении температуры конца прокатки выше 910°С или смотки выше 730°С в стали формируется неравномерная крупнозернистая микроструктура, что отрицательно сказывается на вытяжных свойствах холоднокатаных листов. При температуре конца прокатки ниже 850°С или смотки ниже 540°С не обеспечивается заданная пластичность холоднокатаных листов.

Холодная прокатка с суммарным обжатием менее 65% требует уменьшения толщины горячекатаного подката, что приводит к нестабильности механических свойств по длине полос, увеличению неплоскостности и отбраковки. Увеличение суммарного обжатия сверх 88% приводит к формированию неравномерной микроструктуры рекристаллизованной стали, снижению вытяжных свойств.

Снижение температуры рекристаллизационного отжига ниже 700°С или времени выдержки менее 10 ч ухудшает пластичность стали и ее вытяжные свойства. Повышение температуры сверх 750°С или времени выдержки более 25 ч приводит к свариванию витков рулонов, задалживает оборудование, увеличивает энергозатраты.

Углерод в стали является упрочняющим элементом. При снижении концентрации углерода менее 0,001% прочностные свойства холоднокатаных полос и листов недостаточны. Увеличение концентрации углерода сверх 0,006% снижает ее пластические свойства, увеличивает их нестабильность.

Кремний введен в сталь для раскисления, упрочнения стали и увеличения выхода годного. При концентрации кремния менее 0,005% его влияние проявляется слабо, что ведет к росту отбраковки холоднокатаных полос и листов. Увеличение его концентрации более 0,04%, ухудшает уровень и стабильность вытяжных свойств.

Марганец раскисляет сталь, обеспечивает требуемое сочетание прочности и пластичности. Также он связывает серу в сульфиды MnS, снижая ее вредное влияние на стабильность свойств и выход годного. При содержании марганца менее 0,05% сталь недостаточно раскислена и прочна, имеет низкую штампуемость. Увеличение его содержания сверх 0,25% чрезмерно упрочняет сталь, снижает ее пластичность и выход годного.

Алюминий стабилизирует сталь, предотвращает ее старение. Снижение содержания алюминия менее 0,01% интенсифицирует деградацию свойств холоднокатаных листов, а увеличение его содержания более 0,08% приводит к уменьшению коэффициента нормальной пластической анизотропии ниже допустимого значения и снижению выхода годного.

Титан и ниобий являются карбидообразующими элементами, обеспечивающими заданные прочные характеристики стали. Кроме того, титан связывает азот и серу в нитриды и сульфиды, нейтрализуя вредное влияние на свойства азота и серы. В предложенной стали ниобий может частично заменять титан. При содержании титана менее 0,01% прочностные и вытяжные свойства холоднокатаной листовой стали ниже допустимого уровня. Увеличение содержания титана более 0,09% или ниобия более 0,05% приводит к росту предела текучести и снижению пластичности. В результате уменьшается выход годных листов.

Бор препятствует чрезмерному росту ферритных зерен, гомогенизирует микроструктуру. Но при его концентрации более 0,001% снижаются пластические и вытяжные свойства холоднокатаной листовой стали.

Хром, никель и медь являются примесными элементами, которые попадают в сталь из металлического лома при выплавке. При концентрации каждого из них более 0,06% вытяжные свойства и выход годных листов снижаются. В противном случае их отрицательное влияние проявляется слабо.

Сера, фосфор и азот также являются примесными элементами, концентрацию которых следует ограничивать, чтобы не ухудшить свойства. Глубокая очистка стали от этих примесей (десульфурация, деазотация и дефосфорация) ведет к существенному ее удорожанию. Однако при содержании серы не более 0,012%, фосфора не более 0,10% и азота не более 0,006%, указанные примесные элементы находятся в связанном состоянии и практически не ухудшают вытяжных свойств холоднокатаной листовой стали. Увеличение концентрации серы более 0,012%, фосфора более 0,10% и азота более 0,006% приводит к снижению вытяжных свойств и выхода годных листов.

Окончательно механические и вытяжные свойства холоднокатаных листов формируются при дрессировке. Если , то сталь предложенного состава обладает вытяжными свойствами, близкими к предельно допустимым. Тем не менее, для эффективного переноса шероховатости поверхности валков на полосу, обжатие должно быть в пределах 0,20-0,60%. Снижение обжатия при дрессировке отожженных полос из такой стали менее 0,20% ухудшает качество поверхности холоднокатаных листов и приводит к появлению линий сдвига в процессе глубокой вытяжки.

Увеличение обжатия более 0,60% уменьшает запас пластичности и вытяжные свойства готовых листов ниже допустимого уровня.

В случаях, когда , сталь имеет максимальную пластичность и минимальную прочность, поэтому для переноса микрорельефа валков на полосу обжатие достаточно в пределах 0,20-0,06%. Снижение обжатия при дрессировке отожженных полос из такой стали менее 0,20% ухудшает качество поверхности холоднокатаных листов, а увеличение обжатия более 0,60% уменьшает запас пластичности, вытяжные свойства и выход годных листов.

Сталь предложенного состава, в которой содержатся как титан, так и ниобий, при выполнении соотношении (одновременно или хотя бы только b или только с) также имеет вытяжные свойства, близкие к предельно допустимым, поэтому формирования заданной шероховатости поверхности при дрессировке обжатие должно быть в пределах 0,61-1,20%, что не выводит вытяжные свойства за допустимые пределы. Снижение обжатия при дрессировке отожженных полос из такой стали менее 0,61% ухудшает качество поверхности холоднокатаных листов и приводит к появлению линий сдвига в процессе глубокой вытяжки. Увеличение обжатия более 1,20% уменьшает запас пластичности и вытяжные свойства листов ниже допустимого уровня.

Если же и , то вытяжные свойства холоднокатаных полос после отжига более высокие, а прочностные - минимальные, и для улучшения качества отделки поверхности обжатие при дрессировке уменьшают до 0,20-0,60%. Снижение обжатия при дрессировке отожженных полос из такой стали менее 0,20% ухудшает качество поверхности холоднокатаных листов, а увеличение обжатия более 0,60% уменьшает запас пластичности, вытяжные свойства и выход годных листов.

Пример реализации способа

В кислородном конвертере емкостью 300 тонн выплавляют сверхнизкоуглеродистую сталь следующего состава, мас.%:

С	Si	Mn	Al	Ti	В	Cr	Ni	Cu	S	Р	N	Fe
0,003	0,022	0,15	0,04	0,06	0,01	0,03	0,02	0,04	0,006	0,015	0,005	остальн.

Для стали данного химического состава, не содержащей ниобий, имеем:

Выплавленную сталь разливают на машине непрерывного литья заготовок в слябы сечением 250×1280 мм. Разливку ведут со скоростью 0,5 м/мин при температуре разливаемого металла 1535°С.

Отлитые слябы загружают в газовую печь с шагающими балками, нагревают до температуры аустенитизации 1200°С. Слябы последовательно выталкивают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и обжимают в раскат сечением 40×1300 мм. Затем раскаты задают в непрерывную 7-ми клетевую группу и прокатывают до конечной толщины 2,8 мм. Температуру полос на выходе из последней клети чистовой группы стана поддерживают равной Т_кп=880°С. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге стана охлаждают водой до температуры Т_см=635°С, после чего сматывают в рулоны.

Охлажденные рулоны подвергают сернокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате.

Травленые полосы в рулонах прокатывают на 5-ти клетевом стане квартобесконечной холодной прокатки с толщины 2,8 мм до толщины 0,7 мм с суммарным обжатием ε_∑, равным:

Холоднокатаные полосы в рулонах загружают в садочную печь с водородной защитной атмосферой и отжигают при температуре. T_o=725°C с выдержкой в течение τ_о=17 ч.

Отожженные полосы дрессируют на одноклетевом стане кварто с текстурированными рабочими валками, шероховатость которых равна: R_a=4 мкм; Р_с=100 1/см.

Поскольку ниобий в стали отсутствует, и величина а>1, дрессировку ведут с обжатием ε_д=0,4%. Готовые холоднокатаные листы имеют высокие вытяжные свойства при выходе годного Q=99,4%.

В таблице 2 даны химические составы предложенной и известной стали; в таблице 3 - режимы производства холоднокатаных листов; в таблице 4 - режимы дрессировки, механические свойства и выход годной холоднокатаной листовой стали.

Из таблиц 2-4 следует, что при реализации предложенного способа (варианты производства №2-5 и соответствующие им варианты дрессировки №2-13) достигается повышение вытяжных свойств холоднокатаных листов: значения δ₄, Е, R, n максимальны. В результате этого возрастает выход годного. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты производства №1 и №6 и соответствующие им варианты дрессировки №1 и №14) имеет место снижение вытяжных свойств и выход годных листов. Способ-прототип, использующий сталь марки 08Ю (вариант 15), не обеспечивает требуемого комплекса механических свойств холоднокатаных листов.

Таблица 2.Состав сталей для глубокой вытяжки
№ состава	Содержание химических элементов
С	Si	Mn	Al	Ti	Nb	В	Cr	Ni	Cu	S	Р	N	Параметры хим. состава
1.	0,0009	0,004	0,04	0,009	0,009	0,01	-	0,01	0,01	0,03	0,010	0,010	0,002	b>1; с>1
2.	0,001	0,005	0,05	0,01	0,01	0,02	-	0,02	0,01	0,02	0,003	0,012	0,004	b<1; с>1
3.	0,003	0,022	0,15	0,04	0,06	-	0,001	0,03	0,02	0,04	0,006	0,015	0,005	а>1
4.	0,003	0,032	0,20	0,06	0,03	-	0,0005	0,04	0,03	0,05	0,006	0,017	0,005	а<1
5.	0,006	0,040	0,25	0,08	0,09	0,05	0,001	0,06	0,06	0,06	0,012	0,10	0,006	b>1; c>1
6.	0,007	0,050	0,26	0,09	0,10	0,06	0,0017	0,07	0,07	0,07	0,013	0,11	0,007	b>1; с<1
7.	0,03	0,030	0,20	0,04	-	-	-	0,05	0,05	0,06	0,020	0,020	0,008	-
Примечание: в сталях всех составов Fe - остальное.

Таблица 3.Технологические режимы производства холоднокатаной листовой стали
№ варианта производства	№ состава	Ткп, °С	Тсм, °С	ε∑, %	То, °С	τo, ч
1.	6	840	530	60	690	9
2.	5	850	540	65	700	10
3.	3	880	635	75	725	17
4.	4	870	640	77	730	20
5.	2	910	730	88	750	25
6.	1	920	740	90	760	26
7.	7	870	560	62	680	18

Таблица 4.Режимы дрессировки, механические свойства и выход годных листов
№ варианта дрессировки	№ варианта производства	Параметры хим. состава	εд	σв, Н/мм2	σт, Н/мм2	δ4, %	Е, мм	R	n	Q, %
1.	1.	b>1; c>1	1,3	320-340	165-180	43-54	12	1,3-1,6	2,7-2,9	65,7
2.	2.	b<1; c>1	0,61	308	157	56	13	1,6	2,9	98,4
3.	2.	b<1; c>1	0,8	310	160	55	13	1,6	2,9	98,5
4.	2.	b<1; c>1	1,2	312	162	55	14	1,6	2,9	98,6
5.	3.	a>1	0,61	280	135	58	16	1,8	3,1	99,4
6.	3.	a>1	0,8	285	136	57	16	1,8	3,1	99,3
7.	3.	a>1	1,2	287	138	56	16	1,8	3,2	99,4
8.	4.	a<1	0,20	275	134	57	16	1,7	3,0	99,3
9.	4.	a<1	0,4	277	135	56	16	1,7	3,0	99,6
10.	4.	a<1	0,61	280	136	55	16	1,7	3,0	99,5
11.	5.	b>1; c>1	1,2	255	115	54	16	1,7	2,9	98,7
12.	5.	b<1; c<1	0,8	283	137	57	15	1,7	3,1	99,3
13.	5.	b>1; c>1	0,61	254	116	57	15	1,8	3,0	98,8
14.	6.	b>1; c<1	0,60	230-250	120-170	48-56	11-13	1,2-1,6	1,9-2,9	72,1
15.	7.	-	0,35	250-280	180-210	41-46	9-11	1,1-1,3	1,5-2,0	-

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что при его реализации за счет режимов деформационно-термической обработки и химического состав стали достигается формирование микроструктуры, обеспечивающей повышение вытяжных свойств и выхода годных холоднокатаных листов. Это возможно при дрессировке с обжатиями, определяемыми по соотношению легирующих элементов в стали.

В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства листовой стали с высокими вытяжными свойствами для холодной штамповки на 10-15%.

Источники информации

1. Заявка №0936279 ЕПВ, МПК С 22 С 38/00, 1999 г.

2. Заявка Японии №62-287017, МПК С 21 D 9/48, С 21 D 8/04, 1988 г.

3. С.С.Гусева и др. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. М., Металлургия, 1979 г., с.9-25 - прототип.

1. Способ производства холоднокатаных листов для глубокой вытяжки, включающий непрерывную разливку стальных слябов, горячую прокатку слябов в полосы, охлаждение водой до 540-730°С, смотку в рулон, холодную прокатку, отжиг при 700-750°С с выдержкой при этой температуре и дрессировку, отличающийся тем, что слябы прокатывают с температурой конца прокатки 850-910°С, холодную прокатку осуществляют с суммарным обжатием 65-88%, а выдержку при 700-750°С ведут в течение 10-25 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слябы разливают из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,001-0,006
Кремний	0,005-0,04
Марганец	0,05-0,25
Алюминий	0,01-0,08
Титан	0,01-0,09
Ниобий	Не более 0,05
Бор	Не более 0,001
Хром	Не более 0,06
Никель	Не более 0,06
Медь	Не более 0,06
Сера	Не более 0,012
Фосфор	Не более 0,10
Азот	Не более 0,006
Железо	Остальное

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при выполнении соотношения элементов стали Ti/3,43N≥1 и Nb/7,75С≥1 обжатие при дрессировке устанавливают равным 0,20-0,60%, где Ti - титан, N - азот, Nb - ниобий, С - углерод.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при выполнении соотношения элементов стали Ti/3,43N<1 и Nb/7,75С<1 обжатие при дрессировке устанавливают равным 0,61-1,2%, где Ti - титан, N - азот, Nb - ниобий, С - углерод.

5.Способ по п.1, отличающийся тем, что слябы разливают из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,001-0,006
Кремний	0,005-0,04
Марганец	0,05-0,25
Алюминий	0,01-0,08
Титан	0,01-0,09
Бор	Не более 0,001
Хром	Не более 0,06
Никель	Не более 0,06
Медь	Не более 0,06
Сера	Не более 0,012
Фосфор	Не более 0,10
Азот	Не более 0,006
Железо	Остальное

6. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что при соотношении содержания элементов в стали Ti/(4C+3,43N+1,5S)≥1 обжатие при дрессировке устанавливают равным 0,20-0,60%, где С - углерод, Ti - титан, N - азот, S - cepa.

7. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что при соотношении содержания элементов в стали Ti/(4C+3,43N+1,5S)<1 обжатие при дрессировке устанавливают равным 0,61-1,2%, где С - углерод, Ti - титан, N - азот, S - cepa.