Холоднокатаный отожжённый стальной лист с высокой степенью раздачи отверстия и способ его изготовления

Изобретение относится к области металлургии, а именно к холоднокатаному отожжённому стальному листу, используемому для изготовления конструкционных элементов транспортного средства. Лист имеет химический состав, включающий в мас.%: 0,30 ≤ С ≤ 0,50, 1,00 ≤ Mn ≤ 2,50, 1,00 ≤ Si ≤ 2,00, Al ≤ 2,00, Cr ≤ 0,100, 0,100 ≤ Mo ≤ 0,500, 0,020 ≤ Nb ≤ 0,200, В ≤ 0,0005, P ≤ 0,02, S ≤ 0,005, N ≤ 0,01, Fe и неизбежные примеси – остальное. Содержания углерода, марганца, хрома, молибдена и бора удовлетворяют условию: 250% C + 120% Mn - 200% Cr + 200% Mo - 10000% B ≥ 320. Микроструктура листа содержит, в долях поверхности, от 35% до 45% островков мартенсита и остаточного аустенита (M-A), общее количество остаточного аустенита составляет 24% или больше, при этом остальная часть состоит из бейнитного феррита. Стальной лист обладает прочностью при растяжении более 1100 МПа, равномерным удлинением более 16% и степенью раздачи отверстия более 15%. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Настоящее изобретение относится к холоднокатаному отожжённому стальному листу, демонстрирующему микроструктуру, содержащую в основном бейнитный феррит. Данный стальной лист можно использовать для изготовления структурных элементов автомобильных транспортных средств.

Одна из главных проблем в автомобильной промышленности заключается в уменьшении массы транспортных средств с целью снижения выбросов CO₂, без пренебрежения требованиями безопасности. Для удовлетворения указанных требований в сталелитейной промышленности постоянно разрабатываются новые высокопрочные стали. С увеличением интенсивности использования высокопрочных сталей в автомобильных областях применения возрастает потребность в сталях, характеризующихся как повышенной прочностью, так и улучшенными показателями раздачи отверстия. Таким образом, представлено несколько семейств сталей, в которых предлагаются различные уровни прочности.

В публикации WO2015011554 предлагается холоднокатаный стальной лист с прочностью при растяжении выше 900 МПа и пределом прочности выше 700 МПа. Микроструктура указанного холоднокатаного стального листа заключает в себе от 13% до 30% островков мартенсита и остаточного аустенита, от 13% до 25% остаточного аустенита, при этом остальное представляет собой бейнит и феррит. Указанная доля островков мартенсита и остаточного аустенита обусловливает низкую пластичность стали при равномерном удлинении меньше 16%.

Согласно публикации WO2012164579, получен горячекатаный лист из бейнитной стали с прочностью при растяжении выше 1300 МПа и общим удлинением больше 20%. Указанная сталь не содержит легирующих элементов, но в неё добавлено большое количество хрома для повышения прокаливаемости стали. Однако при сварке может снижаться размягчение стали в зоне теплового влияния с образованием карбидов хрома.

В публикации EP1676933 описан холоднокатаный и отожжённый стальной лист с прочностью при растяжении выше 1180 МПа, а его микроструктура содержит более 90% бейнитного феррита и мартенсита, а также, по меньшей мере, 3% остаточного аустенита. Упомянутая микроструктура повышает прокаливаемость стали, но снижает пластичность при удлинении меньше 15%.

Согласно публикации WO2014040585 получена низколегированная, не содержащая карбидов бейнитная сталь, в частности, с сочетанием высокого содержания хрома, который замедляет превращение ферритной фазы, и алюминия, позволяющего контролировать кинетику образования бейнита и феррита.

С учётом вышесказанного, цель настоящего изобретения заключается в получении стального листа, обеспечивающего прочность при растяжении выше 1100 МПа, равномерное удлинение больше 16% и степень раздачи отверстия выше 15%.

В предпочтительном варианте осуществления стальной лист данного изобретения обеспечивает степень раздачи отверстия, равную 24% или выше. В предпочтительном варианте осуществления стальной лист изобретения обеспечивает прочность при растяжении выше 1180 МПа.

Указанная цель достигается путём получения стального листа по п. 1. Стальной лист также может заключать в себе характеристики по пп. 2-7. Другая цель достигается путём разработки способа по пп. 8-10.

Далее изобретение будет описано более подробно, но без ограничений.

Для достижения желаемых характерных микроструктурных и механических особенностей важное значение имеют химический состав и параметры процесса. Состав стали, выраженный в массовых процентах, является следующим:

- 0,30% ≤ С ≤ 0,50%: если содержание углерода ниже 0,30%, доля остаточного аустенита является недостаточной для достижения равномерного удлинения, составляющего больше 16%. Если содержание углерода превышает 0,50%, может ухудшаться свариваемость стального листа.

- 1,00% ≤ Mn ≤ 2,50%: когда содержание марганца меньше 1,00%, общее содержание остаточного аустенита является недостаточным для достижения желаемых механических свойств. Если содержание марганца превышает 2,50%, риск возникновения сегрегации по центральной линии повышается в ущерб пределу прочности, прочности при растяжении и коэффициенту раздачи отверстия. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения содержание марганца составляет от 1,30% до 2,10% с целью ограничения риска возникновения микросегрегации и строчечного распределения твёрдых фаз в зонах сегрегации.

- 1,00% ≤ Si ≤ 2,00%: кремний является элементом, используемым для раскисления стали на стадии жидкости и для достижения упрочнения при образовании твёрдого раствора. Cодержание кремния должно быть выше 1,00% для стабилизации остаточного аустенита. Предпочтительно, содержание кремния составляет выше 1,4%. Если содержание кремния превышает 2,00%, активируется образование феррита и не достигаются желаемые величины прочности при растяжении и удлинения.

- Al ≤ 2,00%: добавление алюминия способствует достаточному раскислению стали на стадии жидкости и благоприятствует стабилизации феррита. Содержание алюминия ограничивается значением 2,00% для исключения образования феррита и достижения посредством этого уровней предела прочности и прочности при растяжении, требуемых в данном изобретении. Предпочтительно, содержание алюминия составляет ниже 1,00%, а предпочтительнее, оно составляет меньше 0,50% или даже меньше 0,10%.

- Cr ≤ 0,100%: хром представляет собой легирующий элемент, который тормозит динамику превращения бейнита и удерживает его максимальную долю. Содержание хрома ограничивается величиной 0,100% с целью доведения до максимума доли бейнита и обеспечения таким образом хорошей стабилизации остаточного аустенита, а также ограничения образования мартенсита, а, следовательно, для достижения механических характеристик данного изобретения. Предпочтительно, содержание хрома ограничивается величиной 0,05%, а более предпочтительно, ограничивается величиной 0,01%.

- 0,100% ≤ Mo ≤ 0,500%: молибден представляет собой элемент, который благоприятствует стабилизации остаточного аустенита. При содержании ниже 0,100% такой полезный эффект не достигается. При содержании выше 0,500% уменьшается доля бейнита и активируется образование мартенсита, что таким образом приводит к упрочнению листа и снижению пластичности. Кроме того, будет тормозиться динамика фазового превращения. Предпочтительно, содержание молибдена составляет ниже 0,400%, или даже ниже 0,300%, во избежание стабилизации карбидов, которые не будут растворяться на стадии выдержки при отжиге.

- 0,020% ≤ Nb ≤ 0,200%: ниобий является микролегирующим элементом, который образует выделения, затвердевающие вместе с углеродом или азотом. Затем микроструктура утончается, что в результате приводит к достижению большей пластичности. Когда содержание ниобия меньше 0,020%, такой полезный эффект не достигается. Однако содержание ниобия ограничивается величиной 0,200% во избежание воздействия избыточного упрочнения. Предпочтительно, содержание ниобия ограничивается величиной 0,100%.

- В ≤ 0,0005%: бор является элементом, замедляющим фазовое превращение. Если содержание бора превышает 0,0005%, уменьшается доля бейнита и активируется образование мартенсита, что таким образом приводит к упрочнению листа и снижению пластичности.

В соответствии с данным изобретением, процентные содержания углерода, марганца, хрома, молибдена и бора являются такими, что сплав удовлетворяет следующему условию: 250% C + 120% Mn - 200% Cr + 200% Mo - 10000% B ≥ 320. Углерод, марганец и молибден являются элементами, которые благоприятствуют стабилизации остаточного аустенита, тогда как хром и бор замедляют динамику фазового превращения и ограничивают долю бейнита.

- P ≤ 0,02%: если содержание фосфора превышает 0,02%, может появляться сегрегация на границе зерна и уменьшаться удлинение стального листа.

- S ≤ 0,005%: содержание серы ограничивается на уровне 0,005% с целью снижения образования сульфидов, которые оказывают вредное воздействие на пластичность листа.

- N ≤ 0,01%: если содержание азота превышает 0,01%, определённые элементы могут осаждаться в жидкости или в твёрдом состоянии стали в форме нитридов или карбонитридов. Необходимо избегать образования крупнозернистых выделений, поскольку они снижают пластичность стального листа.

Остальная часть состава представляет собой железо и неизбежные примеси, подобные титану, меди, никелю и ванадию, образующиеся в результате плавки, при допустимом содержании до 0,01% для титана, меди и никеля и до 0,005% для ванадия.

Далее будет подробно описана микроструктура холоднокатаного, отожжённого, прокатанного стального листа, соответствующего данному изобретению.

Согласно настоящему изобретению, микроструктура стали содержит, в долях поверхности, от 35% до 45% островков мартенсита и остаточного аустенита (M-A). Если содержание M-A ниже 35%, общее содержание остаточного аустенита является недостаточным для достижения минимальной величины равномерного удлинения, равной 16%. Если содержание M-A превышает 45%, степень раздачи отверстия будет уменьшаться под влиянием образования избыточного мартенсита.

Согласно настоящему изобретению, для достижения желаемой прочности при растяжении, равномерного удлинения и степени раздачи отверстия общее содержание остаточного аустенита в стали равняется 24% или выше.

В предпочтительном варианте осуществления микроструктура стали содержит, в долях поверхности, менее 16% мартенсита. Указанный мартенсит образуется в ходе конечного охлаждения после стадии перестаривания. Если доля мартенсита выше 16%, степень раздачи отверстия стального листа может уменьшаться вследствие повышения прокаливаемости стали.

Остальная часть микроструктуры состоит из бейнитного феррита.

Стальной лист, соответствующий данному изобретению, можно получать любым подходящим способом изготовления, и специалист в данной области техники может определить его. Однако предпочтительно использовать способ согласно данному изобретению, который включает в себя следующие стадии:

- получают стальной полупродукт с составом, описанным выше;

- нагревают указанный стальной полупродукт при температуре, составляющей от 1150°C до 1300°C для получения повторно нагретого стального полупродукта;

- осуществляют горячую прокатку указанного повторно нагретого стального полупродукта при конечной температуре прокатки, равной 800°C или выше, для получения горячекатаного стального листа;

- сворачивают горячекатаный стальной лист в рулон при температуре T_рулон, составляющей от 400°C до 590°C, для получения свёрнутого в рулон стального листа;

- необязательно, выполняют термообработку указанного свёрнутого в рулон стального листа;

- осуществляют холодную прокатку свёрнутого в рулон стального листа со степенью обжатия от 30% до 80% для получения холоднокатаного стального листа;

- нагревают холоднокатаный стальной лист со скоростью нагревания V_Н, составляющей от 2°C/с до 50°C/с, до достижения температуры выдержки T_{выдерж.}, которая выше значения Ac3+20°C и ниже 1000°C, в течение периода времени t_{выдерж.} больше 60 с для получения отожжённого стального листа;

- охлаждают отожжённый стальной лист со скоростью охлаждения V_охл, составляющей от 20°C/с до 1000°C/с, до достижения температуры перестаривания T_ПС, которая выше 385°C и ниже 450°C,

- выдерживают охлаждённый отожжённый стальной лист при температуре перестаривания T_ПС в течение периода времени t_ПС, равного 270 с или больше.

Стальные листы, соответствующие настоящему изобретению, предпочтительно получают способом, в котором разливают полупродукт, такой как слябы, тонкие слябы или полоса, изготовленный из стали, соответствующей настоящему изобретению, имеющей состав, описанный выше; исходный материал для разливки нагревают до температуры от 1150°C до 1300°C или используют непосредственно при такой температуре после разливки, без промежуточного охлаждения.

Для получения горячекатаного стального листа затем выполняют горячую прокатку полупродукта с конечной температурой прокатки, равной 800°C или выше, во избежание каких-либо проблем растрескивания вследствие недостаточной пластичности, возникающей в результате образования ферритных полосок.

После этого горячекатаный стальной лист сворачивают в рулон при температуре T_рулон, составляющей от 400°C до 590°C, для получения свёрнутого в рулон стального листа. Если температура сворачивания в рулон ниже 400°C, повышается твёрдость стали после охлаждения. Если температура сворачивания в рулон выше 590°C, могут образовываться нежелательные поверхностные оксиды. Предпочтительно, температура сворачивания в рулон составляет от 500°C до 590°C.

Для удаления поверхностных оксидов после сворачивания в рулон можно добавлять стадию травления.

Термообработку свёрнутого в рулон стального листа можно выполнять при температуре θ_A термообработки, составляющей от 400°C до 700°C, при этом длительность пребывания при указанной температуре термообработки составляет от 30 с до 200 часов. Длительность термообработки следует приводить в соответствие с температурой осуществления термообработки, с учётом того, что длинные периоды времени согласуются с низкими температурами, а короткие периоды времени согласуются с высокими температурами.

После термообработки можно добавлять стадию травления для удаления поверхностных оксидов.

Затем осуществляют холодную прокатку стали со степенью обжатия от 30% до 80% для получения холоднокатаного стального листа.

После этого холоднокатаный стальной лист нагревают со скоростью нагревания V_H, составляющей от 2°C/с до 50°C/с. При скорости ниже 2°C/с невозможно избежать глубокого обезуглероживания, приводящего к размягчению поверхности, а, следовательно, при этом не могут достигаться желаемые механические характеристики. При скорости выше 50°C/с фазовые превращения могут препятствовать рекристаллизации, что приводит к образованию частично нерекристаллизованной микроструктуры с низкой пластичностью. Предпочтительно, скорость нагревания V_H составляет от 10°C/с до 40°C/с.

Холоднокатаный стальной лист нагревают при температуре выдержки T_{выдерж.}, составляющей выше Ac3+20°C и ниже 1000°C, в течение периода времени t_{выдерж.} больше 60 с для получения отожжённого стального листа. Если T_{выдерж.} ниже Ac3+20°C, активируется образование феррита и не достигается желаемая микроструктура, а, следовательно, и механические характеристики.

Температуру Ac3 вычисляют по формуле, полученной Эндрюсом, опубликованной в журнале Journal of the Iron and Steel Institute, 203, 721-727, 1965:

Ac3 (°C) = 910 – 203 x (%C)^(1/2) - 15,2 x (%Ni) + 44,7 x (%Si) + 104 x (%V) + 31,5 x (%Mo) + 13,1 x (%W) – 30 x (%Mn) – 11 x (%Cr) – 20 x (%Cu) + 700 x (%P) + 400 x (%Al) + 120 x (%As) + 400 x (%Ti)

Однако, если температура T_{выдерж.} выше 1000°C, излишне увеличиваются размеры зёрен аустенита, что оказывает неблагоприятное воздействие на упругие свойства. Предпочтительно, температура выдержки составляет ниже 900°C. Если длительность выдержки меньше 60 с, растворение карбидов окажется недостаточным. Предпочтительно, время выдержки составляет больше 100 с.

После термообработки отожжённый стальной лист охлаждают со скоростью охлаждения V_охл, составляющей выше 20°C/с во избежание образования феррита и ниже 1000°C/с, до достижения температуры перестаривания T_ПС, которая составляет от 385°C до 450°C, с целью получения охлаждённого стального листа. Предпочтительно, скорость охлаждения составляет ниже 500°C/с, а более предпочтительно, ниже 100°C/с. Если сталь нагревают до температуры ниже 385°C, содержание бейнита является слишком высоким, а содержание остаточного аустенита недостаточным. Равномерное удлинение не достигнет заданной величины. В противоположность этому, если T_ПС выше 450°C, содержание бейнита является слишком низким и будет происходить образование избыточного мартенсита, который снижает пластичность.

Сталь выдерживают при температуре T_ПС в течение периода времени t_ПС, равного 270 с или больше, для достижения стабилизации аустенита и утончения островков M-A. Длительность перестаривания короче 270 с ограничивает образование бейнита, следовательно, затрудняет стабилизацию аустенита и таким образом активирует образование избыточного мартенсита, снижающего пластичность. Стальной лист охлаждают до комнатной температуры.

После указанной конечной стадии охлаждения, необязательно, можно выполнять операцию нанесения металлического покрытия на стальной лист для улучшения его защиты от коррозии. Используемый способ нанесения покрытия может быть любым способом, подходящим для стали данного изобретения. Можно упомянуть электролитическое осаждение или физическое осаждение из паровой фазы, с особым акцентом на струйном осаждении паров. Металлическое покрытие может быть, например, на основе цинка или алюминия.

Далее изобретение будет проиллюстрировано следующими ниже примерами, которые никоим образом не являются ограничительными.

Примеры

Представлены полупродукты с составами, подробно описанными в таблице 1, выраженными в массовых процентах. Стали A-D соответствуют составу данного изобретения.

В таблице 2 подробно изложены применённые условия изготовления. Испытания 1-5 соответствуют изобретению.

Таблица 3: Характерные особенности микроструктуры готового термообработанного стального листа.

Подчёркнутые значения: не соответствуют изобретению.

Микроструктуру термообработанного стального листа определяли на полированных образцах, протравленных реактивом Клемма, и наблюдали при помощи сканирующего электронного микроскопа. Измеряли поверхностную долю общего количества остаточного аустенита с использованием рентгеновской дифракции и уточнения методом Ритвельда, а также определяли поверхностную долю островков M-A методом анализа изображений. Доли компонентов представлены в таблице 3. В таблице 4 приведены механические характеристики готового термообработанного стального листа. Прочность при растяжении TS и равномерное удлинение UEl определили согласно стандарту ISO 6892-1:2016. Степень раздачи отверстия HER определили согласно стандарту ISO 16630:2017.

Метод определения раздачи отверстия состоит в измерении начального диаметра Di отверстия до штамповки (номинально: 10 мм), а затем конечного диаметра Df отверстия после штамповки, определяемого при появлении сквозных трещин в направлении толщины листа на краях отверстия. Степень раздачи отверстия HER определяют по следующей формуле: HER= 100*(Df-Di)/Di. С учётом вышесказанного, HER используют для количественной оценки способности листа противостоять штамповке на уровне вырезанного отверстия.

Таблица 4: Механические характеристики готового стального листа.

Подчёркнутые значения: не достигают заданных величин TS, UEL или HER.

В испытаниях 1-5 составы и условия изготовления соответствуют данному изобретению. Таким образом, желаемая микроструктура и механические характеристики достигаются. Результаты испытаний 6-13 и 15 не соответствуют составу стали данного изобретения. Результаты испытаний 6-13 показывают очень маленькое содержание молибдена, который является стабилизирующим элементом для остаточного аустенита. Таким образом, желаемый уровень общего содержания остаточного аустенита не достигается, а равномерное удлинение уменьшается.

Кроме того, результаты испытаний 6 и 9 не отображают количества ниобия, достаточного для утончения микроструктуры, что приводит к низкому значению равномерного удлинения.

В испытаниях 8, 10 и 11 избыток бора и особенно избыток хрома приводят к образованию нежелательной микроструктуры с высокой долей мартенсита и низкой долей суммарного остаточного аустенита, что снижает пластичность микроструктуры, обусловливая низкое равномерное удлинение. В дополнение к этому, большое количество мартенсита также затрудняет достижение адекватной степени раздачи отверстия, поскольку мартенсит является хрупким и при раздаче отверстия обусловливает разрушения на ранней стадии.

В испытании 15 сталь содержит большое количество бора. Образование мартенсита активируется, уменьшая количество бейнита, упрочняя таким образом лист и снижая пластичность.

В испытаниях 12 и 14 температура перестаривания ниже предельного значения данного изобретения, что усиливает снижение концентрации остаточного аустенита, понижая пластичность микроструктуры и приводя в результате к низкому равномерному удлинению. В испытании 13 период времени выдерживания при перестаривании является слишком коротким для достижения стабилизации аустенита и утончения островков M-A. В результате стальной лист не соответствует требуемым механическим характеристикам.

1. Холоднокатаный отожжённый стальной лист, имеющий химический состав, включающий в мас.%:

0,30% ≤ С ≤ 0,50%

1,00% ≤ Mn ≤ 2,50%

1,00% ≤ Si ≤ 2,00%

Al ≤ 2,00%

Cr ≤ 0,100%

0,100% ≤ Mo ≤ 0,500%

0,020% ≤ Nb ≤ 0,200%

В ≤ 0,0005%

P ≤ 0,02%

S ≤ 0,005%

N ≤ 0,01%,

Fe и неизбежные примеси - остальное;

при этом процентные содержания углерода, марганца, хрома, молибдена и бора являются такими, что сплав удовлетворяет следующему условию:

250% C + 120% Mn - 200% Cr + 200% Mo - 10000% B ≥ 320,

и в котором микроструктура содержит, в долях поверхности, от 35% до 45% островков мартенсита и остаточного аустенита (M-A), общее количество остаточного аустенита составляет 24% или больше, при этом остальная часть состоит из бейнитного феррита.

2. Стальной лист по п. 1, в котором содержание марганца составляет от 1,30% до 2,10%.

3. Стальной лист по п. 1 или 2, в котором содержание молибдена составляет от 0,100% до 0,400%.

4. Стальной лист по любому из пп. 1-3, в котором микроструктура содержит менее 16% мартенсита в долях поверхности.

5. Стальной лист по любому из пп. 1-4, в котором прочность при растяжении TS выше 1100 МПа, равномерное удлинение UEl равно 16% или больше, а степень раздачи отверстия выше 15%.

6. Стальной лист по любому из пп. 1-5, в котором степень раздачи отверстия составляет 24% или выше.

7. Стальной лист по любому из пп. 1-6, в котором прочность при растяжении TS выше 1180 МПа.

8. Способ получения холоднокатаного отожжённого стального листа, включающий в себя следующие стадии:

получают стальной полупродукт с составом по любому из пп. 1-3,

нагревают указанный стальной полупродукт при температуре, составляющей от 1150°C до 1300°C, для получения нагретого стального полупродукта;

осуществляют горячую прокатку указанного нагретого стального полупродукта при конечной температуре прокатки, составляющей 800°C или выше, для получения горячекатаного стального листа;

сворачивают горячекатаный стальной лист в рулон при температуре T_рулон от 400°C до 590°C для получения свёрнутого в рулон стального листа;

необязательно выполняют термообработку указанного свёрнутого в рулон стального листа;

осуществляют холодную прокатку свёрнутого в рулон стального листа со степенью обжатия от 30% до 80% для получения холоднокатаного стального листа;

нагревают холоднокатаный стальной лист со скоростью V_Н, составляющей от 2°C/с до 50°C/с, до достижения температуры выдержки T_выдерж, которая выше значения Ac3+20°C и ниже 1000°C, в течение периода времени t_выдерж, составляющего больше 60 с, для получения отожжённого стального листа;

охлаждают отожжённый стальной лист со скоростью V_охл, составляющей от 20°C/с до 1000°C/с, до достижения температуры перестаривания T_ПС, которая выше 385°C и ниже 450°C;

выдерживают охлаждённый отожжённый стальной лист при температуре перестаривания T_ПС в течение периода времени t_ПС, равного 270 с или больше.

9. Способ по п. 8, в котором температура сворачивания в рулон составляет от 500°C до 590°C.

10. Способ по п. 8 или 9, в котором выполняют термообработку упомянутого свёрнутого в рулон стального листа при температуре термообработки, составляющей от 400°C до 700°C, при этом длительность указанной термообработки составляет от 30 с до 200 ч.

11. Применение холоднокатаного отожжённого стального листа по любому из пп. 1-7 для изготовления конструкционных элементов транспортного средства.

12. Применение способа получения холоднокатаного отожженного стального листа по любому из пп. 8-10 для изготовления конструкционных элементов транспортного средства.