ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЛИЯНИЯ  ХИМИЧЕСКОГО  СОСТАВА  НА  МЕХАНИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА  ХОЛОДНОКАТАНЫХ  ПОЛОС  ИЗ  СТАЛИ  МАРКИ  08Ю

Гущина  Марина  Сергеевна

аспирант  Магнитогорского  государственного  технического  университета  им.  Г.И.  Носова»,  г.  Магнитогорск

E-mail: 

">marina.mgn.89@mail.ru

STUDYING  THE  EFFECT  OF  THE  CHEMICAL  COMPOSITION  ON  THE  MECHANICAL  PROPERTIES  OF  THE  COLD  ROLLED  STRIPS  OF  LOW-CARBON  STEELS

Gushchina  Marina

postgraduate  student  of  Magnitogorsk  State  Technical  University  of  G.I.  Nosov,  Magnitogorsk

АННОТАЦИЯ

Для  стали  марки  08Ю  был  проведен  корреляционно-регрессионный  анализ  взаимосвязей  процентного  содержания  С,  Si,  Mn,  S,  P,  Cr,  Ni,  Cu,  N,  Al  в  контрольном  химическом  анализе  и  механических  свойств,  в  частности,  предела  текучести,  временного  сопротивления  разрыву,  относительного  удлинения  и  твердости.  Разработаны  рекомендации  относительно  химического  состава  стали  для  обеспечения  высоких  показателей  штампуемости. 

ABSTRACT

To  assess  the  effect  on  the  mechanical  properties  of  low  carbon  steel  content  of  various  impurities  was  carried  out  correlation  and  regression  analysis.  Developed  recommendations  regarding  the  chemical  composition  of  low-carbon  steel  to  ensure  high  levels  of  formability. 

Ключевые  слова:  низкоуглеродистая  сталь;  механические  свойства;  примеси;  корреляционный  и  регрессионный  анализ.

Keywords:  low-carbon  steels;  mechanical  properties;  impurities;  correlation  and  regression  analysis.

Холоднокатаный  стальной  листовой  прокат  в  полной  мере  относится  к  конкурентоспособным  высокорентабельным  видам  металлопродукции.  Одной  из  центральных  задач,  постоянно  стоящих  перед  металлургической  промышленностью,  является  повышение  качества  проката,  в  частности  улучшение  его  механических  свойств,  которые  определяют  поведение  металлов  и  сплавов  при  эксплуатации  и  обработке. 

Для  изготовления  большого  круга  деталей,  применяемых  в  различных  отраслях  промышленности,  получаемых  методом  холодной  штамповки  со  сложной  (СВ),  особо  сложной  (ОСВ)  и  весьма  особо  сложной  (ВОСВ,  ВОСВ-Т)  вытяжкой,  широко  используется  низкоуглеродистая  тонколистовая  холоднокатаная  сталь  марки  08Ю.  Основное  применение  данного  вида  продукции  —  штамповка  кузовных  деталей  автомобилей.  Металл  вытяжек  ОСВ  и  ВОСВ  назначается  на  лицевые  детали,  например:  крылья,  панель  капота,  панель  крыши  багажника,  передняя  и  задняя  панель,  панель  пола,  боко­вина. 

Основные  требования  к  холоднокатаному  прокату  из  стали  марки  08Ю  по  механическим  свойствам  в  зависимости  от  категории  вытяжки,  а  также  требования  к  химическому  составу  определены  ГОСТ  9045-93. 

Сталь  является  многокомпонентным  сплавом,  содержащим  углерод  и  ряд  постоянных  или  неизбежных  примесей  Mn,  Si,  S,  P,  O,  N  и  др.,  которые  оказывают  влияние  на  ее  свойства.  Характер  и  степень  этого  влияния  показан  на  рисунке  1  [1,  с.  371].

Рисунок  1.  Влияние  небольших  содержаний  химических  элементов  на  временное  сопротивление  холоднокатаной  отожженной  стали  для  глубокой  вытяжки

Для  оценки  влияния  на  механические  свойства  стали  08Ю  содержания  различных  примесей  был  проведен  пассивный  эксперимент  на  более  чем  60  плавках.  Тем  самым  был  сформирован  репрезентативный  массив  параметров,  необходимых  для  получения  достоверных  зависимостей  между  процентным  содержанием  химических  элементов  и  значениями  показателей  механических  свойств  готовых  полос  и  листов.  Проведен  корреляционно-регрессионный  анализ  взаимосвязей  процентного  содержания  С,  Si,  Mn,  S,  P,  Cr,  Ni,  Cu,  N,  Al  в  контрольном  химическом  анализе  и  механических  свойств,  в  частности,  предела  текучести  ,  временного  сопротивления  разрыву  ,  относительного  удлинения    и  твердости  HR15T. 

Коэффициенты  корреляции  предела  текучести,  временного  сопротивления  разрыву,  относительного  удлинения  и  твердости  с  химическими  элементами  значимо  отличаются  от  нуля  при  уровне  значимости  0,05  (табл.1).  Значимость  коэффициентов  подтверждается  тем,  что  соответствующие  расчетные  числа  Стьюдента  больше  табличных.

Таблица  1. 

Коэффициенты  корреляции  во  взаимосвязях  предела  текучести,  временного  сопротивления  разрыву,  относительного  удлинения  и  твердости  с  процентным  содержанием  элементов  контрольного  химического  состава  для  марки  08Ю

Наибольшее  влияние  на  предел  текучести  при  прямо  пропорциональной  зависимости  оказывают  C,  Si,  S,  Al,  Cr;  на  величину  временного  сопротивления  разрыву  —  содержание  Si,  Mn,  C,  P;  на  твердость  —  S,  P,  C,  Cr.  На  относительное  удлинение  наибольшее  влияние  при  обратной  зависимости  оказывают  содержание  Mn,  N,  S,  C,  P,  Si.

Влияние  углерода.  Структура  стали  после  медленного  охлаждения  состоит  из  двух  фаз  —  феррита  и  цементита.  Количество  цементита  возрастает  в  стали  прямо  пропорционально  содержанию  углерода.  Частицы  цементита  повышают  сопротивление  движению  дислокаций,  т.  е.  повышают  сопротивление  деформации  и,  кроме  того,  они  уменьшают  пластичность  и  вязкость.  Вследствие  этого  с  увеличением  в  стали  углерода  возрастают  твердость,  временное  сопротивление,  предел  текучести,  уменьшаются  относительное  удлинение,  относительное  сужение  и  ударная  вязкость.

Низкое  содержание  углерода  увеличивает  склонность  стали  к  росту  зерна.  Так  в  случае  содержания  в  стали  углерода  менее  0,03  %,  структура  матрицы  состоит  из  относительно  крупных  зерен  феррита,  выросших  после  холодной  прокатки  во  время  рекристаллизационного  отжига  в  колпаковых  печах  (рисунок  2).  Колонии  этих  зерен  образуют  в  процессе  штамповки  детали  кузова  на  ее  поверхности  дефект  —  «апельсиновая  корка»,  выводящий  стальной  лист  в  некондицию  [1,  с.  369].  Следовательно,  для  обеспечения  соответствия  микроструктуры  холоднокатаной  стали  08Ю  требованиям  ГОСТ  9045-93  необходимо  установить  нижний  предел  содержания  углерода  0,03  %.

Рисунок  2.  Распределение  автолиста  из  стали  08Ю  при  различном  содержании  углерода  по  номеру  зерна  феррита

Для  получения  холоднокатаного  металла  высокой  категории  вытяжки  (ВОСВ)  количество  углерода  не  должно  превышать  0,05  %,  т.  к.  при  более  высоком  его  содержании  снижается  штампуемость. 

Таким  образом,  оптимальное  содержание  углерода  в  стали  08Ю  составляет  0,03—0,05  %.

Влияние  кремния  и  марганца.  Кремний  и  марганец  переходят  в  сталь  в  процессе  ее  раскисления  при  выплавке.  Кремний,  остающийся  после  раскисления  в  твердом  растворе  (в  феррите),  сильно  повышает  предел  текучести.  Это  снижает  способность  стали  к  вытяжке. 

Для  получения  стали  08Ю  высокой  категории  вытяжки  содержание  кремния  не  должно  превышать  0,02  %

Важное  влияние  на  свойства  низкоуглеродистой  стали  оказывает  марганец.  Прежде  всего,  он  упрочняет  феррит  матрицы,  что  для  стали  марки  08Ю  нежелательно.  Марганец  вводится  из-за  необходимости  связывания  серы  в  сульфиды,  предупреждая  тем  самым  образование  дефектов  полосы  при  горячей  прокатке  стали.  При  низком  содержании  Mn  на  фоне  равномерно  распределенных  частиц  MnS  размером  0,1—0,5  мкм  присутствуют  скопления  более  мелких  частиц,  при  этом  снижается  пластичность  и  штампуемость  [3,  с.  14].  Кроме  того,  марганец  оказывает  заметное  влияние  на  кинетику  старения,  замедляя  выделение  азота  из  кристаллической  решетки  железа.

В  связи  с  упомянутыми  свойствами  марганца  его  вводят  в  сталь  в  количестве,  превышающем  в  10—15  раз  содержания  в  стали  серы.  Для  достижения  высоких  вытяжных  свойств  содержание  марганца  в  стали  не  должно  превышать  0,25  %. 

Влияние  серы.  Традиционно  считалось,  что  сера  является  вредной  примесью,  снижающей  механическую  прочность  и  свариваемость  стали,  а  также  ухудшающей  ее  электротехнические,  антикоррозионные  и  другие  свойства.  Поэтому  приводились  рекомендации  по  ограничению  содержания  серы  не  только  согласно  требованиям  стандарта,  но  и  в  соответствии  с  возможностями  металлургических  технологий  (не  более  0,020  %)  [2,  с.  153].

Проведенный  корреляционно-регрессионный  анализ  влияния  серы  (0,12—0,24  %)  на  предел  текучести  (150—215  Н/мм²)  при  толщине  холоднокатаного  проката  (0,8—1,0)  мм  и  фиксированном  содержании  С  (0,02—0,03  %)  показал  тенденцию  к  снижению  предела  текучести  при  увеличении  содержания  серы.

Однако  в  работе  [3,  с.  17]  отмечено,  что  при  снижении  содержания  серы  ниже  определенного  уровня  на  некоторых  партиях  металла  стали  наблюдаться  «провалы»  —  высокие  значения  предела  текучести. 

В  работе  [5,  с.  52]  исследовано  формирование  частиц  сульфида  марганца  и  их  влияние  на  свойства  стали  08Ю.  Было  показано,  что  с  точки  зрения  стабильного  получения  требуемой  структуры  и  свойств  через  выделение  MnS,  оптимальный  диапазон  значений  произведения  [Mn]х[S]  составляет  0,0025—0,0035.  При  большем  содержании  марганца  и  серы  и,  соответственно,  большем  значении  их  произведения  (более  0,035)  возможности  повышения  штампуемости  снижаются.  В  этом  случае  необходимо  уменьшить  содержание  серы.  Повышение  содержания  серы  более  0,020  %  будет  приводить  к  снижению  штампуемости.

При  величине  произведения  [Mn]х[S]  ниже  0,002  %  (содержание  серы  0,014)  для  улучшения  свойств  необходимо  повысить  температуру  прокатки  в  черновой  группе  клетей  (обеспечить  значение    более  1080    при  использовании  энкопанелей). 

Также  в  работе  [3,  с.  17]  делается  предположение,  что  снижение  содержания  серы  до  0,008  %  и  менее  и  содержания  марганца  до  уровня  0,08—0,15  %  можно  обеспечить  очень  высокий  уровень  штампуемости  без  специальных  технологических  приемов. 

Влияние  фосфора.  Фосфор  является  вредной  примесью.  Растворяясь  в  феррите,  фосфор  сильно  искажает  кристаллическую  решетку,  при  этом  увеличиваются  временное  сопротивление  и  предел  текучести,  а  пластичность  и  вязкость  уменьшаются.  Снижение  вязкости  тем  значительнее,  чем  больше  в  стали  углерода.  Фосфор  повышает  порог  хладноломкости  стали  и  уменьшает  работу  развития  трещины. 

Для  достижения  высоких  вытяжных  свойств  содержание  фосфора  в  стали  не  должно  превышать  0,006  %.

Влияние  остаточных  элементов.  Сопровождающие  примеси,  к  которым  относятся  медь,  хром,  никель  попадают  в  сталь  в  основном  из  скрапа.  Влияние  большинства  химических  элементов  связано  с  упрочнением  твердого  раствора  (рисунок  1).

Хром  повышает  твердость,  прочность,  вязкость,  износостойкость,  повышает  коррозионную  стойкость,  но  понижает  пластичность  и  теплопроводность. 

Никель  повышает  прочность,  твердость,  вязкость  при  низких  температурах,  прокаливаемость  и  коррозионную  стойкость  стали  и  при  этом  незначительно  снижает  пластичность. 

Для  получения  холоднокатаного  металла  с  высокими  пластическими  свойствами  содержание  примесей  должно  быть  следующим:  Cr  ≤  0,03  %,  Ni  ≤  0,04  %,  Сu  ≤  0,07  %.  Для  производства  проката  категории  ВОСВ-Т  следует  назначать  сталь,  содержащую  не  более  0,15  %  суммарного  содержания  хрома,  никеля  и  меди.

Алюминий  вводят  в  сталь  для  удаления  из  расплава  кислорода,  насытившего  его  за  время  выплавки  и  выпуска  в  сталеразливочный  ковш,  а  также  для  связывания  азота  в  нитрид  алюминия  AlN  и  предупреждения  склонности  к  старению.  Алюминий,  имея  приблизительно  такой  же  атомный  радиус,  как  и  железо,  в  минимальной  степени  упрочняет  сталь.  Оптимальным  содержанием  растворенного  алюминия  в  низкоуглеродистой  стали  марки  08Ю  считается  0,03—0,04  %. 

Кроме  того,  условия  выделения  AlN  влияют  на  штампуемость.  Выделение  AlN  в  процессе  рекристаллизационного  отжига  на  начальных  стадиях  рекристаллизации  повышает  штампуемость.  Если  же  он  выделяется  в  горячекатаном  подкате,  то  уровень  прочностных  характеристик  возрастает,  то  есть  штампуемость  снижается. 

Традиционно  считалось,  что  уменьшение  содержания  в  стали  азота  в  интервале  0,004—0,006  %  —  путь  к  снижению  предела  текучести,  повышению  штампуемости.

В  работе  [4,  с.  60]  исследованы  закономерности  формирования  частиц  нитрида  алюминия  в  стали  с  пониженным  содержанием  азота.  Показано,  что  холоднокатаный  прокат  из  слябов  с  более  низким  содержанием  азота  (0,002—0,003  %)  характеризуется  более  высокой  штампуемостью  по  сравнению  с  прокатом  из  слябов  с  содержанием  азота  0,004—0,006  %. 

Необходимо  соблюдать  условие  Al/N=  6—10  при  содержании  азота  в  диапазоне  0,004—0,006  %.  Увеличение  отношения  Al/N  свыше  10  приводит  к  измельчению  зерна  и  снижению  штампуемости  (рисунок  3).  Снижение  значения  Al/N  менее  6  также  недопустимо,  так  как  такая  сталь  проявляет  склонность  к  старению  после  дрессировки  из-за  сохранения  азота  в  твердом  растворе.  При  снижении  содержания  азота  до  0,002—0,003  %  оптимальный  уровень  свойств  можно  получить  и  при  более  высоком  значении  Al/N. 

Рисунок  3.  Зависимость  предела  текучести  от  отношения  алюминия  к  содержанию  азота  (r  —  коэффициент  корреляции,  p  —  вероятность  ошибки)

Методом  множественного  регрессионного  анализа  были  получены  модели,  определяющие  зависимость  значений  показателей  механических  свойств  холоднокатаных  полос  от  процентного  содержания  химических  элементов  в  стали  марки  08Ю:

  (1)

где:  —  предел  текучести,  ;

(2)

где:  —  временное  сопротивление  разрыву,  ;

  (3)

где:  —  относительное  удлинение,  %;

    (4)

где:  —  твердость  по  шкале  Супер-Роквелла.

Значения  множественного  коэффициента  корреляции  R  и  коэффициента  детерминации    для  полученных  уравнений  регрессии  приведены  в  табл.  2. 

Таблица  2. 

Статистические  показатели  математической  модели

Таким  образом,  приведенный  анализ  показывает,  что  при  фиксированной  технологии  производства  стали  08Ю,  предназначенной  для  глубокой  вытяжки,  решающую  роль  в  достижении  необходимых  свойств  играет  ее  химический  состав.  Представленные  результаты  открывают  пути  оптимизации  производства,  в  частности  обосновывают  требования  по  пределам  содержания  в  стали  различных  химических  элементов.

Установлено,  что  для  получения  холоднокатаной  стали  08Ю  с  высокими  пластическими  свойствами  содержание  химических  элементов  должно  быть  следующим:  0,03—0,05  %  C,  не  более  0,02  %  Si,  0,20—0,25  %  Mn,  не  более  0,020  %  S,  не  более  0,006  %  P,  не  более  0,03  %  Cr,  не  более  0,04  %  Ni,  не  более  0,07  %  Cu,  0,03—0,05  %  Al,  не  более  0,006  %  N. 

Список  литературы:

1.Беняковский  М.А.  Маслеников  В.А.  Автомобильная  сталь  и  тонкий  лист.  Череповец:  издательский  дом  «Череповец»,  2007,  636  с.

2.Лахтин  Ю.М.  Металловедение  и  термическая  обработка  металлов.  —  М.:  ООО  «ТИД  «Аз-book»,  2009.  —  448  с.

3.Радионова  И.Г.,  Мишнев  П.А.,  Жиленко  С.В.,  Быкова  Ю.С.,  Чиркина  И.Н.,  Адигамов  Р.Р.,  Ефимова  Т.М.  Металловедческие  основы  и  технологические  аспекты  получения  высокоштампуемых  низкоуглеродистых  сталей.  //Проблемы  черной  металлургии  и  материаловедения.  2011.  №  4.  С.  12—28.

4.Радионова  И.Г.,  Шапошников  Н.Г.,  Эндель  Н.И.,  Могутнов  Б.М.,  Жиленко  С.В.,  Стрижакова  Т.И.  Условия  образования  нитридной  и  сульфидной  фаз  в  сталях  для  глубокой  вытяжки.  I.  Нитрид  алюминия.  //  Проблемы  черной  металлургии  и  материаловедения.  2008.  №  3.  С.  60—67.

5.Радионова  И.Г.,  Шапошников  Н.Г.,  Эндель  Н.И.,  Могутнов  Б.М.,  Жиленко  С.В.,  Стрижакова  Т.И.  Условия  образования  нитридной  и  сульфидной  фаз  в  сталях  для  глубокой  вытяжки.  II.  Сульфид  марганца.  //  Проблемы  черной  металлургии  и  материаловедения.  2008.  №  4.  С.  52—58.