PL209154B1 - Taśma stalowa walcowana na gorąco o wysokiej wytrzymałości i sposób wytwarzania taśmy stalowej walcowanej na gorąco o wysokiej wytrzymałości - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest taśma stalowa walcowana na gorąco o wysokiej wytrzymałości i sposób wytwarzania taśmy stalowej walcowanej na gorąco o wysokiej wytrzymałości. Wynalazek dotyczy zwłaszcza taśmy i sposobu wytwarzania taśmy ze stali, której struktura jest bainityczno-martenzytyczna i może zawierać do 5% ferrytu.

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, i poprawa bezpieczeństwa, która wywodzi się ze wzrostu wytrzymałości na zmęczenie i ze zwiększenia wytrzymałości elementów na uderzenia. Te ulepszenia nie powinny ponadto pogarszać zdatności do kształtowania blach stosowanych do wytwarzania elementów.

Ta zdolność do kształtowania wymaga, aby stal miła znaczne wydłużenie (> 10%), jak również bardzo mały stosunek granicy sprężystości E do wytrzymałości na rozciąganie Rm.

Poprawa wytrzymałości na uderzenia elementów kształtowanych może być zrealizowana na różne sposoby, a w szczególności stosując stale, które posiadają z jednej strony znaczne wydłużenie A, a z drugiej strony niski stosunek E/Rm, który umożliwia po kształtowaniu i dzięki możliwości wzmocnienia stali, zwiększenie jej granicy sprężystości.

Wytrzymałość elementów na zmęczenie określa ich trwałość w zależności od przenoszonych naprężeń, i może być poprawiona poprzez zwiększenie wytrzymałości stali na rozciąganie Rm. Ale zwiększenie wytrzymałości pogarsza zdatność do kształtowania, ograniczając w ten sposób możliwości obróbcze tych elementów, w szczególności w odniesieniu do ich grubości.

Przez stal o wysokiej wytrzymałości oznacza się w ramach niniejszego wynalazku stal, której wytrzymałość na rozciąganie Rm jest wyższa od 800 MPa.

Znana jest pierwsza grupa stali o bardzo wysokiej wytrzymałości, którymi są stale zawierające podwyższone zawartości węgla (ponad 0,1%) i manganu (ponad 1,2%), i których struktura jest całkowicie martenzytyczna. Te stale posiadają wytrzymałość ponad 1000 MPa otrzymaną przez obróbkę cieplną hartowania, zaś wydłużenie A mniejsze od 8%, co stoi na przeszkodzie przy przeprowadzaniu wszelkiego rodzaju kształtowania.

Druga grupa stali o bardzo wysokiej wytrzymałości utworzona jest ze stali zwanych dwufazowymi, o strukturze zawierającej około 10% ferrytu i 90% martenzytu. Te stale mają bardzo dobrą podatność do kształtowania, ale poziom wytrzymałości nie przekracza 800 MPa.

Z amerykańskiego opisu patentowego US 6,364,968 znana jest blacha ze stali walcowanej na gorąco o bardzo wysokiej wytrzymałości, której skład chemiczny zawiera 0,05% < C < 0,3%, 1,5% < Mn < 3,5%, 0,03% < Si < 1,0%, Al < 0,07%, S < 0,05%, P < 0,02%, N < 0,0200%, 0,003% < Nb < 0,20% i/lub 0,005% < Si < 0,20% a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym stal ma strukturę bainityczno-martenzytyczną o średniej wielkości ziarna mniejszej niż 3,0 μm.

Rozwiązanie według US 6, 364,968 opisuje też sposób wytwarzania blachy stalowej walcowanej na gorąco o bardzo wysokiej wytrzymałości, który obejmuje przygotowanie i podgrzewanie kęsiska płaskiego o składzie chemicznym 0,05% < C < 0,3%, 1,5% < Mn < 3,5%, 0,03% < Si < 1,0%, Al < 0,07%, S < 0,05%, P < 0,02%, N < 0,0200%, 0,003% < Nb < 0,20% i/lub 0,005% < Si < 0,20%, gdzie resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania w temperaturze niższej niż 1200°C, walcowanie na gorąco w temperaturze przekraczającej 800°C, chłodzenie tej blachy stalowej z prędkością chłodzenia od 20 do 150°C/s, oraz nawijanie tej blachy w temperaturze nawijania od 300 do 350°C.

Celem niniejszego wynalazku jest wykonanie taśmy stalowej walcowanej na gorąco o bardzo wysokiej wytrzymałości, która jest zdatna do kształtowania, i która ma zwiększoną wytrzymałość na zmęczenie i zwiększoną wytrzymałość na uderzenia.

Zgodnie z wynalazkiem, taśma stalowa walcowana na gorąco o wysokiej wytrzymałości, charakteryzuje się tym, że skład chemiczny stali, z której wykonana jest taśma, wagowo zawiera:

0,05% < C < 0,1%

0,7% < Mn < 1,1%

0,5% < Cr < 1,0%

0,05% < Si < 0,3%

0,05 < Ti < 0,1%

PL 209 154 B1

Al <	0,07%
S <	0,03%
P <	0,05%

a resztę stanowi ż elazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym stal ta ma strukturę bainityczno-martenzytyczną mogącą zawierać do 5% ferrytu.

Korzystnie, skład chemiczny tej stali wagowo zawiera:

0,08% <	C < 0,09%
0,8% <	Mn < 1,0%
0,6% <	Cr < 0,9%
0,2% <	Si < 0,3%
0,05% <	Ti < 0,09% Al < 0,07% S < 0,03% P < 0,05%.

Korzystnie, struktura stali według wynalazku utworzona jest z 70% do 90% bainitu, z 10% do 30% martenzytu i z 0% do 5% ferrytu.

Stal według wynalazku może również zawierać następujące cechy, same lub w kombinacji:

- wytrzymał o ść na rozcią ganie Rm wyż sza lub równa 950 MPa,

- wydł u ż enie przy zerwaniu A wyż sze lub równe 10%,

- granica sprężystości E wyższa lub równa 680 MPa,

- stosunek E/Rm mniejszy od 0,8.

Natomiast sposób wytwarzania taśmy stalowej walcowanej na gorąco o wysokiej wytrzymałości, charakteryzuje się tym, że walcuje się na gorąco kęsisko płaskie ze stali, której skład chemiczny wagowo zawiera:

0,05% <	C < 0,1%
0,7% <	Mn < 1,1%
0,5% <	Cr < 1,0%
0,05% <	Si < 0,3%
0,05 <	Ti < 0,1% Al < 0,07% S < 0,03% P < 0,05%

a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym temperatura walcowania jest niższa od 950°C, po czym chłodzi się tak otrzymaną taśmę aż do temperatury niższej lub równej 400°C, utrzymując prędkość chłodzenia wyższą od 50°C/s w temperaturach między 800°C i 700°C, a nastę pnie taś mę nawija się na szpulę w temperaturze nawijania ni ż szej lub równej 250°C.

Korzystnie, skład chemiczny stali wagowo zawiera:

0,08% <	C < 0,09%
0,8% <	Mn < 1,0%
0,6% <	Cr < 0,9%
0,2% <	Si < 0,3%
0,05% <	Ti < 0,09% Al < 0,07% S < 0,03% P < 0,05%.

Korzystnie, taśmę stalową walcowaną na gorąco pokrywa się cynkiem lub stopem cynku przez zanurzanie w kąpieli z ciekłego cynku lub stopu cynku na końcu operacji nawijania, a po odwinięciu taśmy poddaje się ją procesowi wyżarzania.

Sposób według wynalazku polega przede wszystkim na walcowaniu na gorąco kęsiska płaskiego o takim specjalnym składzie chemicznym, aby otrzymać strukturę jednofazową. Temperatura walcowania jest niższa od 950°C, a korzystnie niższa od 900°C.

Na końcu walcowania chłodzi się tak otrzymaną taśmę aż do temperatury niższej lub równej

400°C, utrzymując prędkość chłodzenia wyższą od 50°C/s pomiędzy temperaturami 800°C i 700°C.

To szybkie chłodzenie jest przeprowadzone w taki sposób, że tworzy się mniej niż 5% ferrytu, którego występowanie jest niepożądane, ponieważ w tej fazie wytrącałby się szczególnie tytan. Ta prędkość chłodzenia jest korzystnie zawarta w zakresie od 50°C/s do 200°C/s.

PL 209 154 B1

Sposób polega następnie na nawijaniu taśmy na szpulę w temperaturze nawijania niższej lub równej 250°C. Temperaturę tego etapu ogranicza się, aby uniknąć odpuszczania martenzytu, gdyż to zmniejszałoby mechaniczną wytrzymałość i powodowałoby zwiększenie granicy sprężystości, pogarszając stosunek E/Rm.

Skład stali według wynalazku zawiera węgiel o zawartości między 0,05% i 0,100%. Pierwiastek ten jest istotny dla otrzymania dobrych własności mechanicznych, ale nie powinien on występować w znacznym nadmiarze, ponieważ mógłby powodować segregacje. Zawartość wę gla niższa od 0,100% umożliwia zwłaszcza otrzymanie dobrej spawalności, i poprawia zdatność do kształtowania i granicę trwał o ś ci.

Skład stali zawiera również mangan o zawartości między 0,7% i 1,1%. Mangan poprawia granicę sprężystości stali, znacznie zmniejszając jej ciągliwość, i dlatego ogranicza się jego zawartość. Zawartość niższa od 1,1% umożliwia również całkowite uniknięcie segregacji podczas odlewania ciągłego.

Skład stali zawiera też chrom w ilości zawartej między 0,50% i 1,0%. Minimalna zawartość 0,50% ułatwia pojawienie się bainitu w mikrostrukturze. Zawartość chromu ogranicza się jednak do wartości 1,0% ponieważ większa zawartość chromu powoduje wzrost ilości powstającego ferrytu powyżej 5% zawartości, z powodu jego charakteru zwiększającego zakres istnienia żelaza alfa.

Skład stali zawiera również krzem w ilości zawartej między 0,05% i 0,3%. Krzem poprawia znacznie granicę sprężystości stali zmniejszając nieco jej rozciągliwość, i pogarszając zdatność do powlekania, a to wyjaśnia dlaczego ogranicza się jego zawartość.

Skład stali zawiera także tytan w ilości zawartej między 0,05 i 0,1%. Ten pierwiastek umożliwia znaczne polepszenie właściwości mechanicznych przez zjawisko wytrącania podczas walcowania i chłodzenia. Tytan nie zwiększa twardoś ci na gorąco wskutek jego umiarkowanej zawartości. Ogranicza się jego zawartość do 0,1%, aby uniknąć zmniejszenia wytrzymałości na uderzenia, twardości na gorąco, jak również zdatności do zaginania.

Skład stali może również zawierać fosfor o zawartości niższej od 0,05%, ponieważ powyżej tej zawartości mogłyby powstać problemy z segregacją podczas odlewania ciągłego.

Skład stali zawiera również glin w ilości zawartej poniżej 0,07%, który bierze udział w czasie uspokajania stali podczas jej wytwarzania w stalowni.

W innym korzystnym przykł adzie wykonania struktura stali wedł ug wynalazku, utworzona jest z 70% do 85% bainitu, od 15% do 30% martenzytu i od 0% do 5% ferrytu.

P r z y k ł a d y

Tytułem nie ograniczającego przykładu, i dla lepszego zilustrowania wynalazku, opracowany został odpowiedni gatunek stali. Jej skład chemiczny podany jest w poniższej tablicy:

	C	Mn	Cr	Si	Ti	S	P	Al
A	0,78	0,95	0,79	0,233	0,094	0,001	0,038	0,048

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

Zastosowano skróty:

Rm - wytrzymałość na rozciąganie w MPa,

Rp0,2 - granica sprężystości w MPa,

A - wydł u ż enie mierzone w %.

Zaczynając od gatunku A, przygotowano trzy próbki, walcując je w temperaturze 860°C, a następnie obrabiając różnymi sposobami termo-mechanicznymi. Zmieniano prędkość chłodzenia między temperaturami 800°C i 700°C, jak również temperaturę nawijania, aby uwydatnić różnice otrzymanych struktur.

Następnie zmierzono własności mechaniczne otrzymanych stali. Wyniki zestawione zostały w poniż szej tablicy:

Próbka	V800-700 (°C)	Tnawijania ( C)	Rm (MPa)	Rp0,2 (MPa)	E/Rm	A%
1*	57	200	995	690	0,7	14
2	42	200	780	635	0,8	14
3	20	400	800	705	0,9	-

* według wynalazku

PL 209 154 B1

Mikrostruktura próbki 1, według wynalazku, jest bainityczno-martenzytyczna, podczas gdy mikrostruktura próbek 2 i 3 jest ferrytyczno-bainityczna.

Stwierdzono, że prędkość chłodzenia w temperaturach między 800°C i 700°C niższa od 50°C/s prowadzi do obecności ferrytu w ilości większej od 5%. Tytan wytrąca się wówczas w tym ferrycie, co uniemożliwia już otrzymanie poziomu żądanych własności mechanicznych, w szczególności wysokiego Rm.

Ponadto, temperatura nawijania wyższa od 250°C, skojarzona z prędkością chłodzenia w temperaturach między 800°C i 700°C niższą od 50°C/s, zwiększa granicę sprężystości nie zwiększając wytrzymałości mechanicznej. Stosunek E/Rm jest więc zbyt wysoki.

Wreszcie stwierdzono, że prędkość chłodzenia w temperaturach między 800°C i 700°C wyższa od 50°C/s, skojarzona z temperaturą nawijania niższą od 250°C, daje bardzo dobre wartości wytrzymałości mechanicznej i granicy sprężystości. Struktura zasadniczo bainityczno-martenzytyczna nadaje wyrobowi dobry stosunek E/Rm i wydłużenie wyższe od 10%.

Ponadto, stal według wynalazku ma dobrą zdatność do powlekania przez zanurzenie w kąpieli z ciekł ego metalu, takiego jak cynk lub stop cynku, lub aluminium lub jeden z jego stopów.

Claims (10)

1. Taśma stalowa walcowana na gorąco o wysokiej wytrzymałości, znamienna tym, że skład chemiczny stali, z której wykonana jest taśma, wagowo zawiera:

0,05% < C < 0,1% 0,7% < Mn < 1,1% 0,5% < Cr < 1,0% 0,05% < Si < 0,3% 0,05 < Ti < 0,1% Al < 0,07% S < 0,03% P < 0,05% a resztę stanowi ż elazo i zanieczyszczenia wynikają ce z wytapiania, przy czym stal ta ma strukturę bainityczno-martenzytyczną zawierającą do 5% ferrytu.

2. Taśma według zastrz. 1, znamienna tym, że skład chemiczny stali wagowo zawiera:

0,08% < C < 0,09% 0,8% < Mn < 1,0% 0,6% < Cr < 0,9% 0,2% < Si < 0,3% 0,05% < Ti < 0,09% Al < 0,07% S < 0,03% P < 0,05%.

3. Taśma według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że struktura stali utworzona jest z 70% do 90% bainitu, z 10% do 30% martenzytu i z 0% do 5% ferrytu.

4. Taśma według zastrz. 3, znamienna tym, że wytrzymałość stali na rozciąganie Rm jest wyższa lub równa 950 MPa.

5. Taśma według zastrz. 4, znamienna tym, że wydłużenie stali przy zerwaniu A jest wyższe lub równe 10%.

6. Taśma według zastrz. 5, znamienna tym, że stal ma granicę sprężystości E wyższą lub równą 680 MPa.

7. Taśma według zastrz. 6, znamienna tym, że stal ma stosunek E/Rm mniejszy od 0,8.

8. Sposób wytwarzania taśmy stalowej walcowanej na gorąco o wysokiej wytrzymałości, znamienny tym, że walcuje się na gorąco kęsisko płaskie ze stali, której skład chemiczny wagowo zawiera:

0,05% < C < 0,1%

0,7% < Mn < 1,1%

0,5% < Cr < 1,0%

0,05% < Si < 0,3%

0,05 < Ti < 0,1%

PL 209 154 B1

Al < 0,07%

S < 0,03%

P < 0,05% a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikają ce z wytapiania, przy czym temperatura walcowania jest niższa od 950°C, po czym chłodzi się tak otrzymaną taśmę aż do temperatury niższej lub równej 400°C, utrzymując prędkość chłodzenia wyższą od 50°C/s w temperaturach między 800°C i 700°C, a następnie taśmę nawija się na szpulę w temperaturze nawijania niższej lub równej 250°C.

9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że skład chemiczny stali wagowo zawiera:

0,08% < C < 0,09% 0,8% < Mn < 1,0% 0,6% < Cr < 0,9% 0,2% < Si < 0,3% 0,05% < Ti < 0,09% Al < 0,07% S < 0,03% P < 0,05%.

10. Sposób według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że taśmę stalową pokrywa się cynkiem lub stopem cynku przez zanurzanie w kąpieli z ciekłego cynku lub stopu cynku na końcu operacji nawijania, a po odwinięciu taśmy poddaje się ją procesowi wyżarzania.