PL186831B1

PL186831B1 - Sposób wytwarzania taśmy ze stali uspokojonej aluminium

Info

Publication number: PL186831B1
Application number: PL98335639A
Authority: PL
Inventors: Bernhard Engl; Günter Stich
Original assignee: Thyssenkrupp Stahl Ag
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2004-03-31
Also published as: CZ321999A3; AR010130A1; EP0966547A1; CN1082549C; CA2284124A1; CN1252105A; CZ290944B6; ES2165157T3; DE19710125A1; ZA982115B; WO1998040522A1; PL335639A1; ATE206472T1; DE59801637D1; EP0966547B1

Abstract

1. Sposób wytwarzania tasmy ze stali uspokojonej aluminium, o wysokiej wytrzy- malosci, wynoszacej co najmniej 900 MPa, i dobrej podatnosci na odksztalcenie plastycz- ne, w którym wytapia sie stal zawierajaca (w % masowych) 0,10 do 0,20% C 0,30 do 0,60% Si 1,50 do 2,00% Mn maks. 0,08% P 0,30 do 0,80% Cr do 0,40% Mo do 0,20% Ti i/lub Zr do 0,08% Nb oraz reszte w postaci Fe i nieuniknionych zanieczyszczen, nastepnie odlewa sie z niej wlewek, po czym walcuje sie ja na goraco do postaci tasmy, znam ienny tym, ze koncowa temperatura walcowania lezy powyzej 880 °C, i po walcowaniu na goraco tasme chlodzi sie na samotoku odprowadzajacym z szybkoscia chlodzenia wynoszaca co naj- mniej 30°C/s, zas po ochlodzeniu tasme walcowana na goraco nawija sie na beben w temperaturze nawijania wynoszacej od 300 do 600°C. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania taśmy ze stali uspokojonej aluminium.

Chodzi tu zwłaszcza o stal o wysokiej wytrzymałości, wynoszącej co najmniej 900 MPa i dobrej podatności na odkształcenie plastyczne.

Tendencja do redukcji zużycia paliwa w samochodach czyni niezbędne wykorzystanie koncepcji lekkich konstrukcji. Lekkie konstrukcje można otrzymać w wyniku zmniejszenia grubości blachy. Dla wyrównania spowodowanego tym spadku wytrzymałości elementu konstrukcyjnego należy zwiększyć wytrzymałość materiału. Wzrost wytrzymałości pociąga zwykle za sobą spadek podatności na odkształcenie plastyczne. Blachom stosowanym do budowy samochodów należy poprzez obróbkę plastyczną nadać ostateczny kształt, wymagany z uwagi na wzornictwo oraz z przyczyn funkcjonalnych. Jeżeli wzrost wytrzymałości i związane z tym pogorszenie podatności na odkształcenie plastyczne będą zbyt duże, wówczas obróbka plastyczna może zakończyć się niepowodzeniem wskutek lokalnego przewężenia i pęknięcia. Ze względu na to wzrost wytrzymałości jest ograniczony.

Rozwój stali poszedł zatem w kierunku poprawy stosunku podatności na odkształcenie plastyczne do jej wytrzymałości.

W zakresie wytrzymałości poniżej 500 MPa można było osiągnąć zauważalne efekty zmniejszania grubości blach poprzez zastosowanie stali z domieszką fosforu lub stali mikrostopowych. Jeszcze lepsze rezultaty uzyskano przy użyciu stali typu „bakehardening”.W zakresie wytrzymałości pomiędzy 500 i 800 MPa prace nad stalami dwufazowymi oraz stalami typu TRIP (plastyczność wskutek przemiany) doprowadziły do uzyskania bardzo dobrych rezultatów w zakresie podatności na odkształcenie plastyczne.

Parametry świadczące o odkształceniu można, z dobrym przybliżeniem do praktyki, uzyskać z próby rozciągania. Do szczególnie ważnych wartości pomiarowych należy wydłużenie przy zerwaniu i wartość n (wskaźnik zdolności umacniania). Wartość n jest wskaźnikiem podatności na odkształcenie plastyczne pod obciążeniem występującym przy obciąganiu. Obciąganie jest najczęściej spotykanym mechanizmem odkształcania plastycznego samochodowych elementów z blachy. Wartość n pozostaje w stosunkowo dobrej zgodności ze stosunkiem granicy plastyczności do doraźnej wytrzymałości, który również stanowi użyteczny w praktyce wskaźnik zdolności umacniania się materiału.

Aby korzyść, jaką daje zwiększenie wytrzymałości, jak najlepiej wykorzystać do redukcji grubości blachy, wymagane są jak najwyższe wartości wydłużenia przy zerwaniu (A) i wartości umocnienia (wartość n).

Stale o bardzo wysokich wytrzymałościach powyżej 800 MPa można bardzo efektywnie wykorzystać do optymalizacji ciężaru części, istotnych w przypadku zderzenia, jak wspornik przejmujący uderzenia boczne oraz wspornik amortyzujący uderzenia. W tym celu jednak grubość blachy, wynoszącą na przykład ponad 2,0 mm, należy zmniejszyć do wartości leżącej poniżej 2,0 mm, mianowicie około 1,5 mm. Takie wysokowytrzymałe wyroby stalowe były w przeszłości dostępne jedynie w postaci blach walcowanych na zimno.

Przede wszystkim w zakresie najwyższych wytrzymałości powyżej 800 MPa podatność na odkształcenie plastyczne, przy wykorzystaniu znanych koncepcji materiałowych do wytwarzania taśm walcowanych na zimno lub na gorąco, nie jest wystarczającą do formowania z blach części użytkowych. Wysoka wytrzymałość jest przy tym uzyskiwana poprzez struktury martenzytyczne. Granica plastyczności jest jednak w takich stalach bardzo wysoka. Wynikające stąd wartości stosunku granicy plastyczności do doraźnej wytrzymałości lub wskaźniki umocnienia są zatem odpowiednio niższe. Poza niewielką podatnością na odkształcenie plastyczne powoduje to również dużą sprężystość, co z kolei sprawia, że wytłoczki są trudne do wykonania lub niedokładnie odwzorowują kształt formy.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania taśm stalowych, mających dużą zdolność umacniania się, połączoną z dobrą podatnością na odkształcenie plastyczne i wysoką wytrzymałością wykonanych z nich elementów konstrukcyjnych.

Zadanie to rozwiązano według wynalazku za pomocą sposobu wytwarzania taśmy ze stali uspokojonej aluminium, o wysokiej wytrzymałości, wynoszącej co najmniej 900 MPa,

186 831 i dobrej podatności na odkształcenie plastyczne, w

(w % masowych)
0,10	do	0,20% C
0,30	do	0,60% Si
150	do	2,00% Mn
maks.		0,08% P
0,30	do	0,80% Cr
do		0,40% Mo
do		0,20% Ti i/lub Zr
do		0,08% Nb

którym wytapia się stal zawierającą oraz resztę w postaci Fe i nieuniknionych zanieczyszczeń, następnie odlewa się z niej wlewek, po czym walcuje się ją na gorąco do postaci taśmy, odznacza się według wynalazku tym, że końcowa temperatura walcowania leży powyżej 880°C, i po walcowaniu na gorąco taśmę chłodzi się na samotoku odprowadzającym z szybkością chłodzenia wynoszącą co najmniej 30°C/s, zaś po ochłodzeniu taśmę walcowaną na gorąco nawija się na bęben w temperaturze nawijania wynoszącej od 300 do 600°C.

Korzystnie taśmę walcowaną na gorąco nawija się na bęben w temperaturze wynoszącej co najwyżej 550°C.

Korzystnie taśmę walcowaną na gorąco nawija się na bęben w temperaturze wynoszącej co najwyżej 350°C.

Korzystnie taśmę walcowaną na gorąco nawija się na bęben w temperaturze nie niższej niż 330°C.

Korzystnie taśmę walcowaną na gorąco walcuje się na grubość końcową wynoszącą co najwyżej 2,0 mm.

Korzystnie taśmę walcowaną na gorąco wygładza się.

Korzystnie taśmę trawi się i pokrywa powłoką metaliczną.

Korzystnie powłokę metaliczną nakłada się elektrolitycznie.

Korzystnie powłokę metaliczną nakłada się zanurzeniowo.

Korzystnie taśmę walcowaną na gorąco wyżarza się w przedziale temperatur od 500 do 850°C.

Korzystnie po walcowaniu na gorąco przeprowadza się walcowanie na zimno przy co najmniej 30% zgniotu oraz wyżarzanie ciągłe w temperaturach pomiędzy 700 i 900°C.

Korzystnie do stali dodaje się co najwyżej 0,15% Mo.

Korzystnie do stali dodaje się co najmniej 0,04% Ti i/lub Zr.

Korzystnie do stali dodaje się od 0,0005 do 0,005% B.

Korzystnie do stali dodaje się co najmniej 0,04% Nb.

Celowe wytworzenie bardzo drobnych mikrostruktur, składających się z istniejących obok siebie faz miękkich i twardych, w połączeniu z rozkładem bardzo drobnych wydzieleń, daje możliwość uzyskania bardziej atr^^^^yj^^ych, dotychczas nieznanych własności technologicznych i użytkowych. Utwardzenie struktury poprzez jej wielofazowość w połączeniu z utwardzaniem za pomocą drobnego ziarna i drobnych cząstek prowadzi przy tym do zwielokrotnionego procesu umacniania.

Szczególne znaczenie ekonomiczne sposobu według wynalazku polega na możliwości wytwarzania taśmy walcowanej na gorąco o grubościach poniżej 2,0 mm, na przykład 1,5 mm. Sposób wytwarzania nie jest zatem związany z koniecznością prowadzenia kosztownego procesu technologicznego wytwarzania taśm walcowanych na zimno, obejmującego dodatkowe operacje w postaci walcowania na zimno i następującego po nim wyżarzania.

Niniejsza koncepcja materiałowa obejmuje również możliwość fabrycznego uszlachetniania powierzchni, na przykład nakładania wytrącanej elektrolitycznie warstwy cynku. Wyjątkowo dużą poprawę własności antykorozyjnych za pomocą warstwy cynku można przyjąć jako fakt powszechnie znany. Ponadto wiadomo, że stale wysokowytrzymałe wykazują tendencję do kruchości w wyniku pochłaniania wodoru podczas elektrolitycznego procesu cynkowania. Można było wykazać, że w taśmie stalowej według wynalazku nie występują problemy, jakich należy się obawiać w związku z procesem cynkowania.

186 831

Poniżej opisane jest znaczenie pierwiastków stopowych i parametrów technologicznych.

Węgiel jest potrzebny do utwardzania struktury oraz powstawania wydzieleń o bardzo dużym stopniu rozdrobnienia. Z uwagi na spawalność zawartość węgla powinna być ograniczona do 0,1 do 0,2%.

Krzem zwiększa twardość roztworu stałego, do czego potrzebna jest zawartość co najmniej 0,3%. Z uwagi na spawalność i celem uniknięcia niekorzystnego tworzenia zgorzeliny zawartość krzemu należy ograniczyć do 0,6%.

Mangan przy zawartości co najmniej 1,5% opóźnia przemianę i powoduje tworzenie twardych produktów przemiany. Dla uniknięcia niedopuszczalnie silnej mikrosegregacji zawartość manganu należy ograniczyć do maksimum 2,0%.

Fosfor można zastosować do dalszego zwiększenia stopnia umocnienia roztworu stałego, jednak z uwagi na spawalność jego zawartość nie powinna przekraczać 0,08%.

Chrom przy zawartości co najmniej 0,3% sprzyja tworzeniu bogatej w bainit stuktury końcowej. Aby przemiana nie ulegała zbyt dużemu opóźnieniu, zawartość chromu należy ograniczyć do maksimum 0,80%.

Tytan lub cyrkon można wykorzystać do tworzenia wydzieleń o bardzo dużym stopniu rozdrobnienia i działaniu utwardzającym. Działanie to ulega wyraźnemu osłabieniu przy zawartościach powyżej 0,2%. Dlatego też wartość maksymalna została ustalona na 0,2%.

Niob można również wykorzystać do utwardzania wydzieleniowego. Zawartość niobu powinna wynosić korzystnie co najmniej 0,04%. Z uwagi na skuteczność działania maksymalna zawartość niobu jest ograniczona do 0,08%.

Bor poprawia utwardzalność przy zawartościach w przedziale od 0,0005 do 0,005%. W tym celu stosuje się go zgodnie ze stanem wiedzy w tej dziedzinie, w stalach podlegających przemianie martenzytycznej. Nieoczekiwanie okazało się, że bor również w niniejszym przypadku w bainitycznej strukturze podstawowej wywołuje znaczący wzrost wytrzymałości przy jedynie nieznacznym spadku podatności na odkształcenie plastyczne.

Końcowa temperatura walcowania powinna leżeć w obszarze jednorodnego austenitu, nie powinna zatem być niższa od 880°C, aby po pierwsze zapewnić wystarczająco małe opory zmiany kształtu, po drugie zaś zachować niewielką ilość wydzieleń, spowodowanych odkształceniem.

Warunki chłodzenia należy dobrać tak, aby wyeliminować przemianę w perlit, zaś procesem pokierować tak, by przemiana zachodziła głównie w zakresie bainitu. Udział martenzytu może przyczyniać się do dalszego umocnienia. Ponadto umocnienie powinno zachodzić wskutek wydzielania bardzo drobnych cząstek. Do tego potrzebne jest chłodzenie z końcowej temperatury walcowania z szybkością wynoszącą co najmniej 30°C/s. Ten proces chłodzenia należy zakończyć w temperaturze poniżej 600°C, nawijając taśmę na bęben, po czym chłodząc ją w postaci zwoju.

Przedmiot wynalazku jest opisany poniżej na podstawie przykładów

W tabeli 1 są podane składy chemiczne wykonanych według wynalazku taśm ze stali 1 i 2 oraz stali 3, będącej martenzytyczną stalą porównawczą.

W tabeli 2 podane są charakterystyczne własności mechaniczne wykonanych według wynalazku taśm ze stali 1 i 2 oraz stali porównawczej 3, odpuszczonej w drodze dodatkowej obróbki cieplnej do wartości podanych w tabeli 2.

Z porównania własności wynikają istotne zalety taśmy ze stali wykonanej sposobem według wynalazku. Wykazuje ona większe wydłużenie przy zerwaniu i lepszy stosunek granicy plastyczności do doraźnej wytrzymałości, stanowiący wskaźnik umocnienia.

W tabeli 3 ukazany jest wpływ niższej temperatury nawijania i przeprowadzonej po nawijaniu obróbki cieplnej na własności wykonanej według wynalazku taśmy stalowej o składzie stali 1 w tabeli 2. Niskie temperatury nawijania, wynoszące korzystnie 330°C, pozwalają osiągnąć wyraźny wzrost własności wytrzymałościowych, patrz przykład 4 w tabeli 3.

Kolejny przedmiot wynalazku zawiera się w osiągnięciu korzystnego działania następującej obróbki cieplnej. Nieoczekiwanie okazało się, że obróbka cieplna wykonanej według wynalazku taśmy stalowej, przeprowadzona w przedziale temperatur pomiędzy 500 i 850°C, pozwala uzyskać dodatkową poprawę podatności na odkształcenie plastyczne.

186 831

Przykłady 4, 5 i 6 w tabeli 3 ukazują działanie takiej obróbki cieplnej na stal 1 o składzie podanym w tabeli 1. Osiąga się w ten sposób stan materiału, korzystny dla elementów konstrukcyjnych, w których wysoka wytrzymałość, zwłaszcza granice plastyczności, musi iść w parze z dobrą podatnością, na odkształcenie plastyczne. Taka charakterystyka w przypadku części walcowanych na zimno jest związania z dużym wydatkiem energetycznym (przykład 5a). Dobór wyższych temperatur wyżarzania pozwala uzyskać wysokie wytrzymałości przy wyjątkowo niskich stosunkach granicy plastyczności do doraźnej wytrzymałości względnie tak samo dużym umocnieniu, a jednocześnie korzystnych wartościach wydłużenia (przykład 5b, 6a do 6c).

Wiele walcowanych na gorąco wyrobów ma tę wadę, że tracą, swe korzystne własności, gdy zostaną poddane walcowaniu na zimno i następującemu po nim wyżarzaniu rekrystalizującemu. W przypadku taśmy ze stali wykonanej według wynalazku stwierdzono jednak, że zachowuje ona korzystne własności nawet po walcowaniu na zimno i wyżarzaniu. Przykład 7 w tabeli 3 ukazuje, że wykonana według wynalazku taśma ze stali po walcowaniu na zimno przy 50% zgniotu i przeprowadzonym po nim wyżarzaniu wykazuje również wysokie wartości wytrzymałości przy dodatkowo poprawionym stosunku granicy plastyczności do doraźnej wytrzymałości w stosunku do taśm ze stali 1 i 2, wyłącznie walcowanych na gorąco.

Tabela 1 (% masowe)

Stal	C	Si	Mn	P	S	Al	N	Cr	Mo	Ti
1	0,14	0,47	1,83	0,007	0,002	0,025	0,004	0,34	0,12	0,15
2a	0,19	0,43	1,67	0,013	0, 007	0,032	0,007	0,49	0,30	0,18
2b	0,17	0,53	1,82	0,013	0,012	0,049	0,012	0,77	0,02	0,18
3*	0,15	0,01	1,75	0,011	0,020	0,020	0,004	0,55	0,01	0,003

*) martenzytyczna stal porównawcza

Tabela 2

Stal	Długość	Re	Rm	R</Rm	Ag	A5	Aso	WET	HT
próbki	N/mm²	N/mm2	%	%	%	°C	°C
1	wzdłuż	653	1065	0,61	8	18	11	910	530
	w poprzek	652	1098	0,59	8	17	12
2a	wzdłuż	670	1115	0,60	7	16	10	880	550
2b	wzdłuż	680	1140	0, 60	7	15	9	880	550
3*	wzdłuż	1050	1096	0,96	2	10 ·	5	880	280

*) martenzytyczna stal porównawcza

Re	- granica plastyczności
Rm	- wytrzymałość na rozciąganie
Ag	- wydłużenie równomierne
A5	- wydłużenie przy zerwaniu
A 80	- wydłużenie przy zerwaniu
WET	- końcowa temperatura walcowania
HT	- temperatura nawijania

186 831

Tabela 3

Przykład	Wyża °C	rzanie min	Re N/mm²	Rm MW	Re/Rn	A80	WET °C	HT °C
4	-	-	1203	1395	0, 86	3	910	330
5a	600	120	1040	1070	0,97	9	910	330
5b	750	1	690	1190	0,58	7	910	330
6a	750	1	620	1095	0,58	6	910	530
6b	800	1	600	1086	0,55	10	910	530
6c	850	1	492	913	0,54	14	910	530
7*a	800	1	627	1149	0,55	8	910	530
7*b	850	1	446	959	0,47	12	910	530

*) walcowana na zimno z 50% zgniotu

186 831

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania taśmy ze stali uspokojonej aluminium, o wysokiej wytrzymałości, wynoszącej co najmniej 900 MPa, i dobrej podatności na odkształcenie plastyczne, w którym wytapia się stal zawierającą (w % masowych)

0,10 do 0, 20% C 0,30 do 0,60% Si 1,50 do 2,00% Mn maks. 0,08% P 0,30 do 0,80% Cr do 0,40% Mo do 0,20% Ti i/lub Zr do 0,08% Nb

oraz resztę w postaci Fe i nieuniknionych zanieczyszczeń, następnie odlewa się z niej wlewek, po czym walcuje się ją na gorąco do postaci taśmy, znamienny tym, że końcowa temperatura walcowania leży powyżej 880 °C, i po walcowaniu na gorąco taśmę chłodzi się na samotoku odprowadzającym z szybkością chłodzenia wynoszącą co najmniej 30°C/s, zaś po ochłodzeniu taśmę walcowaną na gorąco nawija się na bęben w temperaturze nawijania wynoszącej od 300 do 600°C.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że taśmę walcowaną na gorąco nawija się na bęben w temperaturze wynoszącej co najwyżej 550°C.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że taśmę walcowaną na gorąco nawija się na bęben w temperaturze wynoszącej co najwyżej 350°C.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że taśmę walcowaną na gorąco nawija się na bęben w temperaturze nie niższej niż 330°C.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że taśmę walcowaną na gorąco walcuje się na grubość końcową wynoszącą co najwyżej 2,0 mm.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że taśmę walcowaną na gorąco wygładza się.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że taśmę trawi się i pokrywa powłoką metaliczną.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że powłokę metaliczną nakłada się elektrolitycznie.
9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że powłokę metaliczną nakłada się zanurzeniowo.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że taśmę walcowaną na gorąco wyżarza się w przedziale temperatur od 500 do 850°C.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po walcowaniu na gorąco przeprowadza się walcowanie na zimno przy co najmniej 30% zgniotu oraz wyżarzanie ciągłe w temperaturach pomiędzy 700 i 900°C.
12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do stali dodaje się co najwyżej 0,15% Mo.
13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do stali dodaje się co najmniej 0,04% Ti i/lub Zr.
14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do stali dodaje się od 0,0005 do

0,005% B. ......
15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do stali dodaje się co najmniej 0,04% Nb.

* * *

186 831