Разработка и исследование технологии производства холоднокатаного листа из новой высокопрочной автомобильной стали с повышенной коррозионной стойкостью

Актуальность темы

Концепция современного автомобиля предполагает существенный рост безопасности при приемлемом уровне затрат на его производство и эксплуатацию. Реализация этой концепции требует применения высокопрочных коррозионностойких автомобильных сталей. Наряду с высокой прочностью, автомобильные листы, из которых изготавливают методом штамповки кузовные детали, должны обладать хорошей штампуемо-стью, зависящей от пластических свойств применяемой стали.

Зарубежная металлургия предлагает большой ассортимент высокопрочных сталей с различным структурным состоянием, уровнем прочности и пластичности для различного назначения в легковых и грузовых автомобилях. Конкурентноспособность отечественных металлургических предприятий, выпускающих автомобильный листовой прокат, зависит от того, смогут ли они предложить потребителям автомобильную сталь, обладающую комплексом потребительских свойств, не уступающих свойствам продукции зарубежных металлургов и имеющую при этом приемлемую цену.

Данная диссертационная работа направлена на решение этой задачи, что определяет её актуальность.

В последние десятилетия ведущие производители автомобильных сталей в Японии, США, Швеции, Кореи, Германии и других странах разработали ряд новых марок стали, обладающих улучшенными потребительскими свойствами. Особую перспективную группу среди них представляют стали без атомов внедрения — Interstitial Free Steel (IF-сталь), которые не подвержены старению и обладают повышенной штампуемостью. Один из недостатков автомобильных листов, изготовленных из IF-стали, — низкое сопротивление смятию лицевых деталей автомобиля. Для преодоления этого недостатка были созданы стали с эффектом упрочнения при нагревании в процессе сушки лакокрасочного покрытия — ВН-эффекта (Bake Hardening Effekt).

Несмотря на все свои преимущества, эти виды автолистовой стали без защитного покрытия обладают значительно меньшей коррозионной стойкостью по сравнению с оцинкованной сталью. Применение оцинкованной — более дорогой стали приводит к увеличению цены автомобиля, что снижает его привлекательность для массового покупателя.

Из-за острой конкуренции среди производителей, подробности технологии производства листов из IF-сталей с ВН-эффектом, обладающих высокой коррозионной стойкостью, в технической литературе не публиковались, поэтому для получения отечественной металлургической промышленностью автомобильных листов, конкурентноспособных на мировом рынке, как по качеству, так и по цене, требовалось выполнить комплексное исследование, начиная с выбора химического состава и кончая производством готовых автомобильных листов в рулонах.

В завершающих этапах производства автомобильного листа — холодной прокатке, отжиге, дрессировке, также имелся ряд вопросов, требующих уточнения. К ним относится оптимизация режимов обжатий и натяжений, обеспечивающая улучшение чистоты поверхности холоднокатаных полос. Этот вопрос на момент начала данной работы не был проработан, публикации зарубежных специалистов по этому вопросу отсутствовали.

Без проведения теоретических и экспериментальных исследований по всем перечисленным вопросам ведущий российский производитель автомобильного листа — Череповецкий металлургический комбинат ОАО «Северсталь» — не мог освоить выпуск высококачественной автомобильной стали, пользующейся спросом на российском и мировом рынках.

Цель работы состояла в разработке и внедрении технологии производства конкурентноспособного тонколистового проката из сверхнизкоуглеро-дистой стали с повышенными характеристиками прочности и коррозионной стойкости для автомобильной промышленности, обеспечивающей заданный комплекс прочностных и пластических характеристик при относительно низких производственных затратах.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

— исследование влияния легирования фосфором и медью сверхнизкоуглеро-дистой стали на механические и функциональные свойства холоднокатаного проката и определение химического состава, обеспечивающего заданный комплекс механических свойств и повышенную стойкость к атмосферной коррозии;

— определение режима нагрева слябов, температурных режимов горячей прокатки, смотки и охлаждения рулонов, разработка режима солянокислотного травления горячекатаных полос;

— исследование деформационного упрочнения разрабатываемой стали при холодной прокатке и адаптация упруго-пластической модели напряженного состояния полосы в очаге деформации с учётом установленной зависимости;

— исследование влияния положения нейтрального сечения очага деформации при непрерывной холодной прокатке, с использованием адаптированной упруго-пластической модели напряженного состояния полосы, на текстуру, показатели штампуемости и чистоту поверхности холоднокатаных полос;

— разработка режимов непрерывной холодной прокатки с заданным положением нейтральных сечений очагов деформации в клетях непрерывного стана с целью снижения загрязненности поверхности холоднокатаных полос и обеспечения требуемого комплекса свойств готового листа;

— определение зависимости механических свойств и показателей штампуемости готовой холоднокатаной стали от суммарного обжатия при холодной прокатке, режимов рекристаллизационного отжига и дрессировки;

— определение ключевых параметров сквозной технологии прокатного передела и их эффективных значений.

Научная новизна.

1. Разработана сверхнизкоуглеродистая высокопрочная холоднокатаная листовая сталь для автомобилестроения, обладающая ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостьювпервые установлены рациональные диапазоны содержания в ней фосфора 0,03−0,05% и меди 0,2−0,3%.

Новая сверхнизкоуглеродистая сталь, отличающаяся регламентированным содержанием фосфора и меди, и изделие, выполненное из нее, защищены патентом^Ф № 2 237 101. Решением международного жюри «Архимед-2005» VIII международного салона промышленной собственности разработка «Сталь для глубокой вытяжки» награждена золотой медалью. Копия диплома представлена в приложении 1.

2. Для анализа закономерностей пластического формоизменения в процессе холодной прокатки полос из разработанной автомобильной стали впервые применена упруго-пластическая модель напряженного состояния полосы в очаге деформации с использованием вновь установленной для этой стали зависимости предела текучести от обжатия.

3. Впервые установлено влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации, на характеристики текстуры разработанной стали: увеличение относительной длины зоны отставания увеличивает долю компонентов текстуры стали, благоприятных для штамповки, что значительно повышает коэффициент нормальной пластической анизотропии г и показатель упрочнения п.

4. Экспериментальным путём установлено комплексное влияние положения нейтрального сечения в очаге деформации на чистоту поверхности полосы и расход энергии при холодной прокатке: увеличение зоны отставания повышает чистоту поверхности, но увеличивает расход энергииувеличение зоны опережения вызывает противоположный эффект. Это объясняется влиянием противоположно направленных напряжений трения в очаге деформации: в зоне отставания — вперёд по ходу прокатки, в зоне опережения — в обратном направлении. Способ непрерывной прокатки тонких полос на многоклетьевом стане, включающий управление положением нейтрального сечения в очагах деформации клетей, защищен патентом РФ № 2 238 809.

5. Установлены количественные зависимости механических свойств и показателей штампуемости разработанной х/к стали от суммарного обжатия при холодной прокатке, режимов рекристаллизационного отжига и степени деформации при дрессировке.

Практическая значимость.

1. Определены ключевые параметры сквозной технологии прокатного передела и их эффективные значения при производстве разработанной стали, включая температуру нагрева слябов, температуры горячей прокатки и смотки, режим обжатий и натяжений при холодной прокатке, режимы рекристаллизационного отжига и дрессировки. Технология обеспечила получение заданного комплекса механических свойств, и показателей штампуемости листов. Способ производства холоднокатаной стали для холодной штамповки защищён патентом РФ № 2 313 584.

2. На основе адаптированной упруго-пластической математической модели напряженного состояния полосы в очаге деформации предложен способ регулирования межклетевых напряжений и частных обжатий на непрерывном стане, позволяющий путём изменения соотношения протяженно-стей зон отставания и опережения в очаге деформации влиять на качество поверхности полосы и на энергетические затраты.

3. С использованием адаптированной упругопластической модели напряженного состояния полосы в очаге деформации рассчитаны деформационные и энергосиловые параметры холодной прокатки разработанной стали с заданными положениями нейтральных сечений в очагах деформации клетей непрерывного стана. Применительно к высокопрочной сверхнизкоуг-леродистой стали определены режимы деформации, обеспечивающие высокую чистоту поверхности полос и снижение энергозатрат при холодной прокатке.

Реализация и внедрение результатов работы:

1. Разработана и внедрена в условиях ЧерМК ОАО «Северсталь» технология производства высокопрочной с в ерхн из коугл ер од исто й автолистовой стали, обладающей ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостьювыпущена маршрутная карта МК105−16−242−05.

Режимы горячей прокатки внедрены на стане 2000 листопрокатного цеха № 2. Режимы холодной деформации внедрены на непрерывном пяти-клетевом стане 1700. Режимы рекристаллизационного отжига и дрессировки внедрены в цехе отделки металла производства холоднокатаного листа.

2. Выпущены технические условия ТУ14−105−738−04 на поставку нового вида продукции, получившего наименование марки 01ЮПД. Использование опытных и промышленных партий листов из стали 01ЮПД на автомобильных заводах подтвердили эффективность разработанной марки стали и технологии ее производства.

3. Внедрение разработанной стали и технологии ее производства обеспечивают экономический эффект в условиях ОАО «Северсталь» 5,74 млн руб. в год.

4. Применение в автомобилестроении экономно легированной фосфором и медью сверхнизкоуглеродистой высокопрочной холоднокатаной стали обладающей ВН-эффектом и повышенной коррозионной стойкостью, вместо обычной низкоуглеродистой стали, позволило улучшить эксплуатационные характеристики автомобилей, а именно — повысить сопротивляемость вмятинам и коррозионную стойкость панелей кузова автомобиля.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V конгрессе международного союза прокатчиков (Череповец, 2003) — международной конференции «IF Steels 2003» (Япония, Токио, 2003), международной конференции «Association for Iron & Steel Technology 2004» (September 15−17, 2004, USA, Tennessee, Nashville) — второй международной конференции по новым разработкам в металлургической технологии (Riva del Garda, Italy, 19−21 September 2004) — международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ОАО «Северсталь» (Череповец, 2006) — международной конференции «Машины, технологии, материалы» (София, Болгария, 2007).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 научных работах и 3 патентах Российской федерации.

Достоверность результатов и сделанных на их основе выводов обеспечивается применением корректных методов теоретического анализа процессов формоизменения металлов при их деформации, результатами внедрения усовершенствованной технологии на промышленных агрегатах при производстве товарной продукции. Достоверность математического моделирования подтверждена сравнением с экспериментальными данными.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка, включающего 100 наименований и 3 приложений. Объем работы составляет 119 страниц, 20 рисунков, 36 таблиц.

5.4. Выводы по главе 5.

1. Выполнен комплекс экспериментальных исследований влияния на свойства холоднокатаных полос из стали 01ЮПД основных параметров рекристаллизационного отжига в колпаковых печах — температуры и продолжительности выдержки.

В результате исследований установлено, что наилучшая пластичность, максимальные значения коэффициентов анизотропии, упрочнения и ВН-эффекта обеспечиваются при температуре 730 °C и продолжительности выдержки не менее 23 часов.

2. Исследование влияния дрессировки холоднокатаных полос из стали 01ЮПД с применением методов рентгеноструктурного анализа кристаллической текстуры образцов показало, что наилучшее сочетание механических свойств достигается при дрессировке с обжатием в диапазоне 0,8−1,0%.

Глава 6. Внедрение технологии производства высокопрочного автолистового проката из стали 01ЮПД.

Теоретические и экспериментальные разработки, а также опытно-промышленные работы, изложенные в главах 3−5, легли в основу технологии производства новой автолистовой стали с заданным комплексом потребительских свойств на Череповецком металлургическом комбинате ОАО «Северсталь». При этом учитывался состав имеющегося оборудования и особенности технологического процесса производства автолистовых сталей. Разработана маршрутная карта МК 105−16−242−05.

6.1. Производство высокопрочного автолистового проката из стали 01ЮПД в условиях ЧерМК ОАО «Северсталь».

Технологическая схема производства высокопрочной автолистовой стали 01ЮПД по основным технологическим операциям, используемая на Череповецком металлургическом комбинате ОАО «Северсталь», приведена на рис. 6.1. Отличие от автолистового сортамента состоит в новых технологических режимах, обеспечивающих на всех этапах получение качественной продукции, соответствующей требованиям потребителя. Данные требования были сформулированы в совместном техническом соглашении ТС 105−3 012 003 ОАО «Северсталь» и ОАО «ГАЗ», а затем в разработанных технических условиях на поставку стали 01ЮПД ТУ 14−105−738−04 между ОАО «Северсталь» и ОАО «ГАЗ». На основе проведенных исследований и опытно-промышленных опробований разработаны операционные карты, включающие технологические режимы обработки. Сталь 01ЮПД должна заменить на ОАО ГАЗ сталь 08Ю категории ОСВ для изготовления деталей автомобиля «Газель» — «Панель крыши фургона», «Панель передка», «Надставка боковины», и автомобиля «Волга» — «Панели двери внутренние» с уменьшением толщины используемого проката.

Выплавка стали в кислородном конвертере г.

Внепечная обработка, вакуумирование.

Непрерывная разливка слябов.

1 г.

Горячая прокатка полос на НШС 2000.

Солянокислотное травление в НТА.

Холодная прокатка на 5-клетевом стане 1700.

Отжиг в колпаковых водородных печах.

— ¦

Дрессировка на одн^клетевом стане 1700.

Порезка, отгрузка м—.

Рис. 6.1. Технологическая схема производства автолйстовой стали 01ЮПД на ЧерМК ОАО «Северсталь».

Сравнение требований ТС 105−301−2003 и ТУ 14−105−738−04 к механическим свойствам проката из стали 01ЮПД приведены в табл.6.1.