Способ нанесения покрытия на стальные полосы и стальная полоса с покрытием (варианты)

Изобретение относится к области металлургии. Для улучшения свариваемости стальных полос с цинковым покрытием получают полосу из стали, содержащей, вес.%: С 0,04-1,0, Мn 9,0-30,0, Аl 0,05-15,0, Si 0,05-6,0, Cr ≤6,5, Cu ≤4, Ti+Zr ≤0,7, Nb+V ≤0,5, остальное - железо и неизбежные примеси, подвергают ее отжигу и затем на нее электролитическим методом наносят покрытие из цинка или цинкового сплава. При этом в процессе отжига стальной полосы при температурах от 800 до 1000°С в атмосфере с содержанием N₂-H₂ в результате реакции с содержащимися в стали элементами образуется приповерхностная, обогащенная нитридами область, препятствующая при сварке стальной полосы с покрытием проникновению расплавленного цинка в основной материал стали. 3 н. и 6 з. п. ф-лы.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на стальные полосы, содержащие: (вес.%) С - 0,04-1,0; Мn - 9,0-30,0; Аl - 0,05-15,0; Si - 0,05-6,0; Cr - ≤6,5; Cu - ≤4; Ti+Zr - ≤0,7; Nb+V - ≤0,5; остальное - железо и неизбежные примеси, при котором стальную полосу подвергают заключительному отжигу и затем на нее электролитическим способом наносится покрытие из чистого цинка или цинкового сплава. Стальная полоса может быть при этом как холоднокатаной, так и горячекатаной.

Кроме того, изобретение относится к стальной полосе, содержащей основной материал соответствующего состава с нанесенным на него электролитическим способом металлическим покрытием.

Уровень техники

Стали с высоким содержанием марганца, алюминия и/или кремния пригодны благодаря их оптимальным в отношении относительного удлинения и прочности свойствам для использования в транспортных средствах, в частности в области автомобилестроения, и известны как стали HSD^® (High Strengh and Ductility, высокопрочные и пластичные). В частности, эти стали по сравнению с обычными сталями отличаются заметно меньшим удельным весом, вследствие чего использование этих сталей для облегченных конструкций способствует значительному уменьшению веса в кузовном производстве.

Стали с высоким содержанием марганца (7-30 вес.%) известны, например, из DE 10259230, DE 19900199 А1 и DE 10 2004061284 А1. Произведенный из них плоский прокат характеризуется наряду с высокой прочностью также большим равномерным удлинением. Однако наряду с этими преимуществами стали с повышенным содержанием марганца склонны к коррозионным язвам и поверхностной коррозии и без добавки алюминия и/или кремния обладают слабой устойчивостью к вызываемому водородом коррозионному растрескиванию под напряжением. Поэтому уже было предложено наносить на плоский прокат из сталей с большим содержанием марганца металлическое покрытие известным способом, защищающее сталь от коррозионного воздействия.

Например, из DE 19900199 А1 известно обогащение поверхности плоского проката алюминием и/или нанесение на нее покрытия из него. В WO 2007/075006 А1 предложена сталь с высоким содержанием марганца, из которой известным способом производят плоский прокат, на который после заключительного отжига наносят покрытие электролитическим методом или методом погружения в расплав. В качестве сравнения, в WO 2006/042930 А1 также предложена сталь с высоким содержанием марганца, из которой изготовляют плоский прокат и наносят на него покрытие погружением в расплав.

Недостатком известных оцинкованных сталей с высоким содержанием марганца является пока недостаточная свариваемость, проявляющаяся в повышенном проявлении охрупчивания под воздействием жидкого металла в зоне сварки при сваривании оцинкованных материалов.

Ниже под сваркой понимаются все способы контактной электросварки, сварки плавлением или электронно-лучевой сварки, при которых наряду с основным материалом в жидкое состояние локально переходит цинковое покрытие.

При этом в процессе сварки в основном материале происходит инфильтрация по границам зерен ожиженного цинкового материала покрытия (охрупчивание под воздействием жидкого металла). Эта инфильтрация приводит к тому, что основной материал вокруг зоны сварки теряет свою прочность и пластичность в такой степени, что сварное соединение или граничащий со сварным соединением основной материал больше не отвечает установленным требованиям к механическим свойствам, в результате чего возрастает опасность преждевременного отказа сварного соединения.

Как известно из DE 10 2005008410 В3, для улучшения свариваемости сталей с высоким содержанием марганца, предназначенных для облегченных конструкций, на которые нанесено покрытие способом погружения, перед заключительным отжигом на холоднокатаную полосу необходимо нанести слой алюминия посредством PVD (Physical Vapor Deposition, покрытие осаждением из газовой фазы), на который после последнего отжига наносят металлическое покрытие. Промежуточный слой алюминия должен предупредить, чтобы при сварке цинк из нанесенного погружением в расплав покрытия не проник в структуру стального материала и не вызвал охрупчивание под воздействием жидкого металла. Нанесение такого промежуточного слоя является очень дорогостоящим, кроме того, отсутствуют сведения относительно улучшения свариваемости оцинкованных электролитическим способом сталей с высоким содержанием марганца.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в создании экономичного способа, позволяющего существенно улучшить свариваемость оцинкованных электролитическим способом полос стали с высоким содержанием марганца без нанесения дополнительного металлического промежуточного покрытия.

Поставленная задача решается в результате того, что в стальных полосах, содержащих: (вес.%) С - 0,04-1,0; Мn - 9-30; Аl - 0,05-15,0; Si - 0,05-6,0; Cr - ≤6,5, Cu - ≤4; Ti+Zr - ≤0,7; Nb+V - ≤0,5; остальное - железо с неизбежно сопутствующими стали элементами, в процессе отжига стальной полосы при температуре 800-1000°С в атмосфере с содержанием N₂-H₂ образуется в результате реакции между содержащимися в стали элементами приповерхностная, обогащенная нитридами область, препятствующая при сварке стальной полосы с покрытием проникновению расплавленного цинка в основной материал.

При экспериментах неожиданно было установлено, что в результате образования соответствующего изобретению приповерхностного азотированного слоя при сварке сталей с высоким содержанием марганца может эффективно предотвращаться воздействие жидкого цинка по границам зерен. При отжиге согласно изобретению реагирует, в частности, содержащийся в стали алюминий в приповерхностной области с азотом из состава газовой фазы с образованием нитрида алюминия. Образующиеся при отжиге стальной полосы приповерхностные нитриды присутствуют, в частности, и в области по границам зерен, в результате чего создается эффективный барьер против проникновения жидкого цинка при сварке.

Существенным критерием улучшенной свариваемости сталей с высоким содержанием марганца является обеспечение заданной глубины азотирования, которая, с одной стороны, должна быть настолько большой, чтобы устранялось воздействие жидкого цинка по границам зерен, и, с другой стороны, настолько малой, чтобы и далее соблюдались требуемые технологические параметры стальной полосы. Это достигается согласно изобретению за счет целенаправленного выбора температуры отжига, атмосферы в печи и времени выдержки.

При экспериментах установлено, что толщина азотированного слоя в приповерхностной области основного материала должна составлять, по меньшей мере, 1 мкм и не должна превышать 50 мкм.

Глубина азотирования 5-25 мкм, в частности 5-15 мкм, оказалась предпочтительной в отношении улучшения свариваемости при лишь незначительном влиянии на технологические параметры стальной полосы.

Образование слоя нитрида алюминия согласно изобретению достигается при температурах отжига от ок. 850°С. При более высокой температуре уменьшается продолжительность отжига, необходимая для достижения требуемой глубины азотирования. При меньшей температуре отжига необходимо соответственно увеличивать продолжительность отжига для обеспечения одинаковой глубины азотирования. При экспериментах с холоднокатаными полосами оптимальными оказались температуры отжига 900-950°С, причем заданные глубины азотирования достигались при обычном времени выдержки в отжигательных печах Конти.

Преимущества способа согласно изобретению проявляются, во-первых, в значительно лучшей свариваемости оцинкованной электролитическим способом стали с высоким содержанием марганца, во-вторых, выполненное согласно изобретению образование азотированного слоя в рамках и без того необходимого отжига стальной полосы реализуется только за счет соответствующего состава газовой фазы и соответствующей адаптации параметров отжига очень дешево на известных имеющихся промышленных агрегатах.

Например, на установке для непрерывной разливки стали в полосу, содержащей: (вес.%) С - 0,7; Мn - 15; Аl - 2,5; Si - 2,5; остальное - железо с неизбежно сопутствующими стали элементами, отливают полосовую заготовку, которую прокатывают с получением горячекатаной полосы. Горячекатаная полоса подвергается обычным образом травлению, затем холодной прокатке и отжигу согласно изобретению для создания приповерхностного азотированного слоя. После этого полоса до нанесения на нее известным электролитическим способом цинка подвергается щелочной очистке, а также активированию поверхности.

Оцинкованная таким способом холоднокатаная полоса соответствует требованиям о достаточной коррозионной защите и, в частности, хорошо сваривается без охрупчивания под воздействием жидкого металла.

Кроме того, она обладает наряду с превосходными технологическими свойствами, такими, как очень высокая деформируемость, малая склонность к образованию трещин на кромках, высокий уровень усилий при растяжении на срез и растяжении головной части соединений, полученных точечной электросваркой сопротивлением, также высоким пределом усталости и очень высокой стойкостью к вызываемому водородом коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению с аналогичными высокопрочными материалами.

1. Способ нанесения покрытия на стальную полосу, содержащую, вес.%: С 0,04-1,0, Мn 9,0-30,0, Al 0,05-15,0, Si 0,05-6,0, Cr≤6,5, Cu≤4, Ti+Zr ≤0,7, Nb+V ≤0,5, остальное - железо и неизбежные примеси, включающий отжиг стальной полосы при температуре от 800 до 1000°С в атмосфере, содержащей N₂-H₂ С образованием в результате реакции с содержащимися в стали элементами в приповерхностной области полосы азотированного слоя, а затем нанесение на него электролитическим путем покрытий из цинка или цинкового сплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что путем изменения времени и/или температуры отжига обеспечивают глубину азотирования более 1 мкм не более 50 мкм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что путем изменения времени и/или температуры отжига обеспечивают глубину азотирования более 1 мкм и не более 25 мкм.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что путем изменения времени и/или температуры отжига обеспечивают глубину азотирования более 1 мкм и не более 15 мкм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе отжига азотированный слой образуется преимущественно из нитридов алюминия.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура отжига составляет 900-950°С.

7. Стальная полоса, содержащая, вес.%: С 0,04-1,0, Мn 9,0-30,0, Аl 0,05-15,0, Si 0,05-6,0, Cr≤6,5, Cu≤4, Ti+Zr≤0,7, Nb+V≤0,5, остальное - железо и неизбежные примеси, имеющая расположенный в приповерхностной области полосы азотированный слой и покрытие из цинка или цинкового сплава, нанесенное на упомянутый слой электролитическим путем.

8. Стальная полоса по п.7, отличающаяся тем, что азотированный слой состоит из нитридов алюминия.

9. Стальная полоса, характеризующаяся тем, что она изготовлена с нанесенным покрытием в соответствии со способом по любому из пп.1-6.