PL206109B1

PL206109B1 - Taśma ze stali dwufazowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej walcowana na zimno, sposób wytwarzania taśmy ze stali dwufazowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej walcowanej na zimno oraz zastosowanie taśmy ze stali dwufazowej otrzymanej tym sposobem

Info

Publication number: PL206109B1
Application number: PL377834A
Authority: PL
Inventors: Antoine Moulin
Original assignee: Usinorusinor
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2010-07-30
Also published as: CA2514736A1; PL377834A1; HUE052206T2; CN1748039A; UA87454C2; CN100465299C; KR101091021B1; FR2850671B1; ES2831249T3; FR2850671A1; EP1592816B1; CA2514736C; JP4528769B2; JP2006520431A; MXPA05008189A; BRPI0407236A; RU2005127577A; EP1592816A1; WO2004079022A1; ZA200505968B

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest taśma ze stali dwufazowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej walcowana na zimno, sposób wytwarzania taśmy ze stali dwufazowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej walcowanej na zimno oraz zastosowanie taśmy ze stali dwufazowej otrzymanej tym sposobem, która w szczególności przeznaczona jest do wytwarzania elementów do pojazdów samochodowych przez głębokie tłoczenie.

Stale o bardzo wysokiej wytrzymałości były wytwarzane przez ostatnie lata, zwłaszcza aby sprostać specyficznym potrzebom przemysłu samochodowego, którymi są w szczególności zmniejszenie ciężaru, a więc i grubości elementów, oraz poprawa bezpieczeństwa, która wywodzi się ze wzrostu wytrzymałości na zmęczenie i ze zwiększenia wytrzymałości elementów na uderzenia. Te ulepszenia nie powinny jednak pogarszać zdatności do kształtowania blach stosowanych do wytwarzania takich elementów.

Zatem, wytwarzano stale zwane dwufazowymi o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej, które umożliwiały uzyskanie wytrzymałości na rozciąganie Rm większej od 400 MPa, ale które nie miały dobrych cech tłoczności, ponieważ ich średni współczynnik anizotropii r był bliski 1. Ponadto, ich zdatność do cynkowania była nieodpowiednia, ponieważ zawierał znaczne ilości krzemu lub innych pierwiastków szkodliwych dla dobrego zwilżania powierzchni taśmy przez roztopiony cynk.

Ponadto, znane są stale, których struktura jest jednofazowa, i które mają podwyższony średni współczynnik anizotropii r, ale stale takie mają średnie własności mechaniczne z wytrzymałością na rozciąganie Rm nie przekraczającą 400 MPa.

Tytułem przykładu można podać stale o małej ilości atomów międzywęzłowych, lub stale uspokajane glinem i parkeryzowane. Próby wzmocnienia klasycznych mechanizmów utwardzenia dla tego rodzaju stali nie umożliwiają znacznego polepszenia ich własności mechanicznych. Ponadto, stal taka musi być zdatna do cynkowania.

Celem niniejszego wynalazku jest uniknięcie tych niedogodności stali znanych ze stanu techniki, poprzez zaproponowanie taśmy stalowej zdatnej do głębokiego tłoczenia, i mającej jednocześnie bardzo dobre właściwości mechaniczne i bardzo dobre własności anizotropowe.

Zgodnie z wynalazkiem, taśma ze stali dwufazowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej, walcowana na zimno, charakteryzuje się tym, że skład chemiczny stali wagowo zawiera:

0,010% < C < 0,100%

0,050% < Mn < 1,0%

0,010% < Cr < 1,0%

0,010% < Si < 0,50%

0,001% < P < 0,20%

0,010% < Al < 0,10%

N < 0,010% a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym taśma zawiera ponadto od 1% do 15% martenzytu, i ma średni współczynnik anizotropii r wyższy od 1,1.

Korzystnie, skład chemiczny stali wagowo zawiera:

0,020% < C < 0,060%

0,300% < Mn < 0,500%

0,010% < Cr < 1,0%

0,010% < Si < 0,50%

0,001% < P < 0,100%

0,010% < Al < 0,10%

N < 0,010% a resztę stanowi ż elazo i zanieczyszczenia wynikają ce z wytapiania.

Korzystnie, taśma ma wytrzymałość na rozciąganie Rm wyższą od 450 MPa, korzystniej wyższą od 500 MPa, a najkorzystniej wyższą od 600 MPa.

Korzystnie, taśma ma średni współczynnik anizotropii r wyższy od 1,3.

Korzystnie, taśma zawiera od 1% do 10% martenzytu, a korzystniej od 5% do 8% martenzytu.

Natomiast sposób wytwarzania taśmy ze stali dwufazowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej, walcowanej na zimno, charakteryzuje się tym, że walcuje się na gorąco kęsisko płaskie ze stali, której skład chemiczny wagowo zawiera:

0,010% < C < 0,100%

PL 206 109 B1

0,050% < Mn < 1,0%

0,010% < Cr < 1,0%

0,010% < Si < 0,50%

0,001% < P < 0,20%

0,010% < Al < 0,10%

N < 0,010% a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym wymieniony sposób obejmuje kolejne etapy, w których:

schładza się taśmę walcowaną na gorąco do temperatury między 550°C i 850°C, i nawija się na szpulę taśmę na gorąco otrzymaną w temperaturze zawartej między 550°C i 850°C, a następnie walcuje się na zimno taśmę ze współczynnikiem redukcji zawartym między 60% i 90%, po czym wyżarza się taśmę w sposób ciągły w zakresie między-krytycznym, i schładza się ją aż do temperatury otoczenia, w jednym lub wielu etapach, przy czym prędkość schładzania między temperaturą 600°C i temperaturą otoczenia zawarta jest między 100°C/s i 1500°C/s, oraz ewentualnie poddaje się ją odpuszczaniu w temperaturze niższej od 300°C, z tym, że operacje wyżarzania i schładzania prowadzi się w taki sposób, że taśma zawiera ostatecznie od 1% do 15% martenzytu.

Korzystnie, zgodnie ze sposobem skład chemiczny stali zawiera:

0,020% < C < 0,060%

0,300% < Mn < 0,500%

0,010% < Cr < 1,0%

0,010% < Si < 0,50%

0,010% < P < 0,100%

0,010% < Al < 0,10%

N < 0,010% a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania.

Korzystnie, taśmę walcuje się na gorąco w temperaturze wyższej od 850°C.

Korzystnie, taśmę na gorąco nawija się na szpulę w temperaturze zawartej między 550°C i 750°C.

Korzystnie, taśmę walcuje się na zimno ze współczynnikiem redukcji zawartym między 70% i 80%.

Korzystnie, w sposobie tym wyżarzanie ciągłe taśmy walcowanej na zimno obejmuje fazę wzrostu temperatury, a następnie fazę wygrzewania w tej wstępnie określonej temperaturze.

Korzystnie, temperatura wygrzewania zawarta jest między temperaturą Ac i i 900°C.

Korzystnie, temperatura wygrzewania zawarta jest między 750°C i 850°C.

Korzystnie, w sposobie tym schładzanie, aż do temperatury otoczenia, obejmuje powolne pierwsze schładzanie między temperaturą wygrzewania i temperaturą 600°C, podczas którego prędkość schładzania jest niższa od 50°C/s, a następnie drugie schładzanie z prędkością większą zawartą między 100°C/s i 1500°C/s, aż do temperatury otoczenia.

Korzystnie, drugie schładzanie przeprowadza się przez hartowanie w wodzie.

Korzystnie, schładzanie przeprowadza się w jedynej operacji, z prędkością schładzania zawartą między 100°C/s i 1500°C/s.

Korzystnie, schładzanie takie przeprowadza się przez hartowanie w wodzie.

Zgodnie z wynalazkiem, taśma ze stali dwufazowej znajduje zastosowanie do wytwarzania elementów do samochodów przez głębokie tłoczenie.

Sposób według wynalazku polega na walcowaniu na gorąco kęsiska płaskiego o właściwym składzie, a następnie na nawijaniu na szpulę taśmy na gorąco otrzymanej w temperaturze zawartej między 550°C i 850°C.

To nawijanie w wysokiej temperaturze jest w rzeczywistości korzystne do wytwarzania tego co nazywa się strukturą, dokładniej strukturą anizotropową. Takie nawijanie umożliwia w rzeczywistości wytrącenie cementytu Fe3C, oraz zmniejszenie ilości węgla pozostającego w roztworze podczas wyżarzania, szkodzącego powstawaniu struktury rekrystalizacyjnej.

PL 206 109 B1

Sposób polega następnie na walcowaniu na zimno taśmy, ze współczynnikiem redukcji zawartym między 60% i 90%, a następnie na wyżarzaniu taśmy w sposób ciągły w zakresie międzykrytycznym.

Wyżarzanie między-krytyczne umożliwia ponowne rozpuszczenie większości faz węglikowych utworzonych podczas nawijania po rekrystalizacji. Fakt, że austenityzacja i rozpuszczenie faz węglikowych następuje po rekrystalizacji, umożliwia zachowanie węgla zatrzymanego podczas rekrystalizacji i uwolnienie go wówczas, gdy powstanie rekrystalizowana struktura ferrytu. Zatem, węgiel w roztworze stałym nie będzie wpływał na strukturę, jak w przypadku nawijania taśmy w temperaturze niższej, lecz zmieniona zostanie tylko struktura przez charakter izotropowy utworzonego martenzytu.

Sposób polega następnie na schładzaniu taśmy, aż do temperatury otoczenia, w jednym lub wielu etapach, przy czym prędkość schładzania między temperaturą 600°C i temperaturą otoczenia zawarta jest między 100°C/s i 1500°C/s, i ewentualnie na poddaniu jej odpuszczaniu w temperaturze niższej od 300°C.

Ta faza szybkiego schładzania umożliwia tworzenie martenzytu w strukturze stali, który umożliwia otrzymanie bardzo dobrych właściwości mechanicznych. Jednak należy uważać, aby nie utworzyła się zbyt duża ilość martenzytu, gdyż jest on izotropowy i zmniejsza przez to średni współczynnik anizotropii r.

Hartowanie w wodzie umożliwia utworzenie znacznych ilości faz węglikowych w stosunku do rozważanej analizy. Można zmniejszyć frakcję utworzonej fazy martenzytycznej obniżając temperaturę wygrzewania do wielkości niższych w zakresie między-krytycznym, lub jeszcze stosując powolne schładzanie przed hartowaniem.

Można również zmniejszać różnicę twardości między osnową ferrytyczną i fazą martenzytyczną, ochładzając taśmę wolniej lub stosując krótkie odpuszczanie, rzędu jednej minuty, fazy martenzytycznej utworzonej po hartowaniu w wodzie.

Należy zauważyć, że to odpuszczanie nie jest w żadnym przypadku obróbką przestarzenią jaką przeprowadza się w stanie techniki. W rezultacie, obróbki przestarzenią (lub po angielsku overaging), które zazwyczaj przeprowadzane są w temperaturze między 300°C i 500°C, mają na celu zwłaszcza usuwanie martenzytu, który jest istotnym elementem w niniejszym wynalazku. Ewentualne odpuszczanie, przeprowadzone zgodnie z wynalazkiem, polega na wytrącaniu części węgla uwięzionego w martenzycie w roztworze stałym bez zmniejszania ilości tego martenzytu. Temperatura maksymalna tego odpuszczania wynosi 300°C, korzystnie 250°C, a szczególnie korzystnie 200°C.

Skład według wynalazku zawiera węgiel w ilości zawartej między 0,010% i 0,100%. Pierwiastek ten jest istotny dla otrzymania dobrych właściwości mechanicznych, ale nie powinien występować w duż ym nadmiarze, ponieważ powoduje on tworzenie znacznego nadmiaru fazy martenzytycznej.

Taśma zawiera również mangan w ilości zawartej między 0,050% i 1,0%. Mangan poprawia granicę sprężystości stali znacznie zmniejszając jej rozciągliwość, dlatego też ogranicza się jego zawartość.

Skład zawiera również chrom w ilości zawartej między 0,010% i 1,0%, który pomaga w tworzeniu się pożądanego martenzytu.

Skład zawiera również krzem w ilości zawartej między 0,010% i 0,50%. Poprawia on znacznie granicę sprężystości stali zmniejszając nieco jej rozciągliwość i pogarszając jej zdolność do powlekania.

Skład zawiera również fosfor w ilości zawartej między 0,001% i 0,20%, który utwardza mikrostrukturę stali bez wpływu na jej strukturę.

Skład zawiera również glin w ilości zawartej między 0,010% i 0,10%, który zapobiega starzeniu uwięzionego azotu.

P r z y k ł a d y

Tytułem nie ograniczającego przykładu, i dla lepszego zilustrowania wynalazku, opracowane zostały dwa gatunki stali. Ich skład, w tysięcznych częściach procenta, podano w poniższej tablicy:

	C	Mn	Cr	Si	P	Al	N
A	60	600	70	70	20	56	5
B	43	373	76	13	22	56	5,7

PL 206 109 B1

Reszta składu utworzona jest z żelaza i z nieuniknionych zanieczyszczeń wynikających z wytapiania.

Zastosowane skróty:

Re: granica sprężystości w Mpa;

Rm: wytrzymałość na rozciąganie w Mpa;

r: współczynnik anizotropii;

P: łożysko;

% m: ilość martenzytu.

Po wytworzeniu, dwa gatunki stali zostały austenityzowane w temperaturze 1250°C w czasie jednej godziny, aby otrzymać rozpuszczenie azotków glinu. Kęsiska zostały następnie walcowane na gorąco w taki sposób, aby temperatura końca walcowania była wyższa od 900°C, przy czym wartość temperatury Ar3 wyniosła około 870°C dla obydwu gatunków.

Taśmy walcowane na gorąco zostały następnie schłodzone przez hartowanie w wodzie, z prędkością schładzania rzędu z 25°C/s, aż do osiągnięcia temperatury nawijania na szpulę. Gatunek A nawinięty został na szpulę w temperaturze 720°C, podczas gdy jedna próbka gatunku B nawinięta została na szpulę w temperaturze 550°C, a druga w temperaturze 720°C.

Różne próbki zostały następnie walcowane na zimno aż do osiągnięcia współczynnika redukcji 75%, a następnie poddane zostały obróbce wyżarzania w temperaturze wygrzewania 750°C dla niektórych próbek, i w temperaturze 800°C dla innych próbek. Po tym przeprowadzono schładzanie z prędkością rzędu 25°C/s, aż do temperatury otoczenia, przez hartowanie w wodzie. Następnie zmierzono właściwości mechaniczne i anizotropowe otrzymanych stali.

Wyniki zestawiono w poniższej tablicy:

Gatunek	^Tnawijania (°C)	^Twygrzewania (°C)	Kierunek	Re (MPa)	Rm (MPa)	P (%)	r	r średni	% m
A	720	800	T	420	711	0	1,10	0,98	14
L	405	713	0	1,11
45°	425	720	0	0,85
750	T	443	713	0	1,26	1,02	12
L	438	717	0	1,13
45°	451	736	0	0,84
B	720	800	T	432	656	0	1,46	1,27	8
L	430	697	0	1,60
45°	436	668	0	1,01
750	T	454	662	0	2,04	1,37	7
L	457	690	0	1,41
45°	461	677	0	1,01
550	800	T	455	677	0	1,47	1,21	6
L	446	667	0	1,44
45°	472	687	0	0,97
750	T	475	680	0,3	1,46	1,09	5
L	463	668	0,4	1,25
45°	482	697	0,3	0,83

PL 206 109 B1

Anizotropia całkowita stali określona jest przez normalny współczynnik średniej anizotropii r:

= rT + rL + 2(r45°) = 4 gdzie:

rT oznacza wielkość r mierzoną w kierunku poprzecznym do kierunku walcowania taśmy, rL oznacza wielkość r mierzoną w kierunku wzdłużnym względem kierunku walcowania taśmy, r45° oznacza wielkość r mierzoną pod kątem 45° w stosunku do kierunku walcowania taśmy. Dla temperatury nawijania 720°C, przedstawionej na fig. 1, istnieje zależność między średnim współczynnikiem r i współczynnikiem % m utworzonego martenzytu dla gatunków A i B. Stwierdzono, że im bardziej wzrasta współczynnik martenzytu, tym stal jest bardziej izotropowa.

Ponadto stwierdzono, że im współczynnik martenzytu jest większy, tym lepsze są właściwości mechaniczne.

Tytułem przykładu na fig. 2 przedstawiono mikrostrukturę otrzymaną dla gatunku A, nawijanego na szpulę w temperaturze 720°C, a następnie wyżarzanego w temperaturze 750°C, aby otrzymać ostatecznie 12% martenzytu. Wyróżnia się tu ferryt i utworzony martenzyt.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Taśma ze stali dwufazowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej, walcowana na zimno, znamienna tym, że skład chemiczny stali wagowo zawiera:

0,010% < C < 0,100%

0,050% < Mn < 1,0%

0,010% < Cr < 1,0%

0,010% < Si < 0,50%

0,001% < P < 0,20%

0,010% < Al < 0,10%

N < 0,010% a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym taśma stalowa zawiera ponadto od 1% do 15% martenzytu, i ma średni współczynnik anizotropii r wyższy od 1,1.
2. Taśma według zastrz 1, znamienna tym, że skład chemiczny stali wagowo zawiera:

0,020% < C < 0,060%

0,300% < Mn < 0,500%

0,010% < Cr < 1,0%

0,010% < Si < 0,50%

0,001% < P < 0,100%

0,010% < Al < 0,10%

N < 0,010% a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania.
3. Taśma według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że ma wytrzymałość na rozciąganie Rm wyższą od 450 MPa.
4. Taśma według zastrz. 3, znamienna tym, że ma wytrzymałość na rozciąganie Rm wyższą od

500 MPa.
5. Taśma według zastrz 4, znamienna tym, że ma wytrzymałość na rozciąganie Rm wyższą od 600 MPa.
6. Taśma według zastrz 1, znamienna tym, że ma średni współczynnik anizotropii r wyższy od 1,3.
7. Taśma według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienna tym, że zawiera od

1% do 10% martenzytu.
8. Taśma według zastrz 7, znamienna tym, że zawiera od 5% do 8% martenzytu.
9. Sposób wytwarzania taśmy ze stali dwufazowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej, walcowanej na zimno, znamienny tym, że walcuje się na gorąco kęsisko płaskie ze stali, której skład chemiczny wagowo zawiera:

0,010% < C < 0,100%

PL 206 109 B1

0,050% < Mn < 1,0%

0,010% < Cr < 1,0%

0,010% < Si < 0,50%

0,001% < P < 0,20%

0,010% < Al < 0,10%

N < 0,010% a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym wymieniony sposób obejmuje kolejne etapy, zgodnie z którymi:

schładza się taśmę walcowaną na gorąco do temperatury między 550°C i 850°C, i nawija się na szpulę taśmę na gorąco otrzymaną w temperaturze zawartej między 550°C i 850°C, a następnie walcuje się na zimno taśmę, ze współczynnikiem redukcji zawartym między 60% i 90%, po czym wyżarza się taśmę w sposób ciągły w zakresie międzykrytycznym, i schładza się ją aż do temperatury otoczenia, w jednym lub w wielu etapach, przy czym prędkość schładzania między temperaturą 600°C i temperaturą otoczenia zawarta jest między 100°C/s i 1500°C/s, oraz ewentualnie poddaje się ją odpuszczaniu w temperaturze niższej od 300°C, z tym, że operacje wyżarzania i schładzania prowadzi się w taki sposób, że taśma zawiera ostatecznie od 1% do 15% martenzytu.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że skład chemiczny stali zawiera:

0,020% < C < 0,060%

0,300% < Mn < 0,500%

0,010% < Cr < 1,0%

0,010% < Si < 0,50%

0,010% < P < 0,100%

0,010% < Al < 0,10%

N < 0,010% a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania.
11. Sposób według jednego z zastrz. 9 albo 10, znamienny tym, że taśmę walcuje się na gorąco w temperaturze wyższej od 850°C.
12. Sposób według zastrz. 9 albo 10 albo 11, znamienny tym, że taśmę na gorąco nawija się na szpulę w temperaturze zawartej między 550°C i 750°C.
13. Sposób według zastrz. 9 albo 10 albo 11 albo 12, znamienny tym, że taśmę walcuje się na zimno ze współczynnikiem redukcji zawartym między 70% i 80%.
14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że wyżarzanie ciągłe taśmy walcowanej na zimno obejmuje fazę wzrostu temperatury, a następnie fazę wygrzewania w tej wstępnie określonej temperaturze.
15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że temperatura wygrzewania zawarta jest między temperaturą Ac1 i 900°C.
16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że temperatura wygrzewania zawarta jest między 750°C i 850°C.
17. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że schładzanie, aż do temperatury otoczenia, obejmuje powolne pierwsze schładzanie między temperaturą wygrzewania i temperaturą 600°C, podczas którego prędkość schładzania jest niższa od 50°C/s, a następnie drugie schładzanie z prędkością większą zawartą między 100°C/s i 1500°C/s, aż do temperatury otoczenia.
18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że drugie schładzanie przeprowadza się przez hartowanie w wodzie.
19. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że schładzanie przeprowadza się w jedynej operacji, z prędkością schładzania zawartą między 100°C/s i 1500°C/s.
20. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że schładzanie przeprowadza się przez hartowanie w wodzie.
21. Zastosowanie taśmy ze stali dwufazowej, określonej w zastrzeżeniach od 1 do 8, do wytwarzania elementów do samochodów przez głębokie tłoczenie.