Холоднокатаный и отожжённый стальной лист, способ его изготовления и использование в производстве автомобильных деталей
Изобретение относится к области металлургии, а именно к холоднокатаному и отожжённому стальному листу, используемому для изготовления деталей транспортных средств. Лист имеет химический состав, содержащий, в мас.%: 0,6≤C≤1,3, 15,0≤Mn≤35, 5≤Al≤15, Si≤2,40, S≤0,03%, P≤0,1%, N≤0,1, при необходимости по меньшей мере один из Ni, Cr и Cu в количестве соответственно до 4,0%, до 3,0% и до 3,0% и при необходимости по меньшей мере один из B, Ta, Zr, Nb, V, Ti, Mo и W в суммарном количестве до 2,0%, остальное - железо и неизбежные примеси. Микроструктура указанного листа представляет собой аустенит и содержит при необходимости до 3% каппа-карбидов и при необходимости до 5% зернистого феррита. Средний размер зерна и среднее соотношение сторон зерна аустенита составляют соответственно менее 6 мкм и 1,5 - 6, а средний размер зерна и среднее соотношение сторон феррита, в случае его присутствия, соответственно менее 5 мкм и менее 3,0. Обеспечивается получение листа с требуемыми механическими свойствами. 6 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 табл.
Настоящее изобретение относится к стальному листу низкой плотности, с микроструктурой, в основном включающей аустенит. Стальной лист в соответствии с изобретением подходит для изготовления защитных или конструкционных деталей для транспортных средств, таких как наземные транспортные средства.
Экологические ограничения вынуждают автопроизводителей постоянно сокращать выбросы CO2 своих автомобилей. Для этого у автопроизводителей есть несколько возможностей, при этом их основными возможностями являются снижение массы транспортных средств или повышение эффективности их систем двигателя. Улучшения часто достигаются сочетанием двух подходов. Данное изобретение относится к первому варианту, а именно к уменьшению массы автотранспортных средств. В этой специфической области существует альтернатива из двух направлений:
Первое направление состоит в уменьшении толщины стали при увеличении её механической прочности. К сожалению, это решение имеет свои пределы из-за чрезмерного снижения жесткости некоторых автомобильных деталей и появления акустических проблем, которые создают неудобные условия для пассажира, не говоря уже о неизбежной потере пластичности, связанной с увеличением механической прочности.
Второй путь состоит в уменьшении плотности сталей путем легирования их другими, более лёгкими металлами. Среди этих сплавов сплавы низкой плотности имеют перспективные механические и физические свойства, что позволяет значительно снизить массу.
В частности, в US 2003/0145911 раскрыта лёгкая сталь Fe-Al-Mn-Si, имеющая подходящую формуемость и высокую прочность. Однако предел прочности на растяжение таких сталей не превышает 800 МПа, что не позволяет в полной мере использовать их низкую плотность для деталей всех геометрических форм.
Таким образом, целью изобретения является создание стального листа с плотностью ниже 7,4, пределом прочности при растяжении, по меньшей мере, 900 МПа, пределом текучести, по меньшей мере, 700 МПа и равномерным относительным удлинением, по меньшей мере, 28%.
В предпочтительном осуществлении стальной лист согласно изобретению имеет плотность ниже 7,2, предел прочности при растяжении, по меньшей мере, 1000 МПа, предел текучести, по меньшей мере, 800 МПа и равномерное относительное удлинение, по меньшей мере, 30%.
Эта цель достигается созданием стального листа по п. 1 формулы изобретения. Стальной лист также может включать характеристики по пп. 2 - 7. Другая цель достигается предложением способа по пп. 8 - 11. Другой аспект достигается предложением деталей или транспортных средств по пп. 12 - 14.
Другие характеристики и преимущества изобретения станут очевидными из последующего подробного описания изобретения.
Не желая связывать себя какой-либо теорией, представляется, что стальной лист с низкой плотностью в соответствии с изобретением позволяет улучшить механические свойства благодаря этой особой микроструктуре.
Что касается химического состава стали, то углерод играет важную роль в формировании микроструктуры и достижении целевых механических свойств. Его основная роль заключается в стабилизации аустенита, который является основной фазой микроструктуры стали, а также для упрочнения. Содержание углерода ниже 0,6% уменьшит долю аустенита, что приведёт к снижению как пластичности, так и прочности сплава. Однако, поскольку он является основным компонентом внутризёренного каппа-карбида (Fe, Mn)3AlCx, содержание углерода выше 1,3% может способствовать выделению таких крупных карбидов на границах зёрен (межзёренный каппа-карбид (Fe, Mn)3AlCx), что приводит к уменьшению пластичности сплава.
Предпочтительно содержание углерода составляет 0,80 - 1,3%, более предпочтительно 0,8 - 1,0% масс., чтобы получить достаточную прочность.
Марганец является важным легирующим элементом в этой системе в основном из-за того, что легирование до очень высокого содержания марганца и углерода стабилизирует аустенит до комнатной температуры, что затем может позволить присутствие большого количества алюминия без дестабилизации и превращения в феррит или мартенсит. Чтобы сплав имел подходящую пластичность, содержание марганца должно быть равным или более 15%. Однако, когда содержание марганца превышает 35%, выделение фазы β-Mn ухудшит пластичность сплава. Поэтому содержание марганца должно контролироваться равным или более 15,0%, но менее 35%. В предпочтительном осуществлении оно равно или более 15,5% или даже 16,0%. Его содержание более предпочтительно составляет 18 - 25%.
Добавление алюминия к аустенитным сталям с высоким содержанием марганца эффективно снижает плотность сплава. Кроме того он значительно увеличивает энергию дефектов упаковки (SFE) аустенита, что в свою очередь приводит к изменению деформационного упрочнения сплава. Алюминий также является одним из основных элементов наноразмерного каппа-карбида (Fe, Mn)3AlCx, и поэтому его добавление значительно увеличивает образование таких карбидов. Концентрация алюминия в настоящих сплавах должна быть скорректирована с одной стороны для обеспечения стабильности аустенита и выделения каппа-карбидов, а с другой для контроля формирования феррита. Поэтому содержание алюминия следует поддерживать равным или более 5%, но менее 15%. В предпочтительном осуществлении содержание алюминия составляет 7 - 12%, и предпочтительно 8 - 10%.
Кремний является обычным легирующим элементом для высокомарганцевых и алюминиевых сталей. Он оказывает очень сильное влияние на формирование упорядоченного феррита с D03-структурой. Кроме того, было показано, что кремний усиливает активность углерода в аустените и увеличивает распределение углерода в каппа-карбидах. Также кремний был описан как эффективный легирующий элемент, который можно использовать для задержки или предотвращения выделения хрупкой фазы β-Mn. Однако выше содержания 2,40% он снижает относительное удлинение и, как правило, образует нежелательные оксиды в течение определённых процессов сборки, и поэтому его содержание следует поддерживать ниже этого предела. Предпочтительно содержание кремния менее 2,0% и преимущественно менее 1,0.
Сера и фосфор являются примесями, которые делают хрупкими границы зёрен. Их соответствующее содержание не должно превышать 0,03 и 0,1%, чтобы поддерживать достаточную высокую пластичность.
Содержание азота должно составлять 0,1% или менее, чтобы предотвратить выделение AlN и формирование объёмных дефектов (пузырей) во время твердения.
Никель оказывает положительное влияние на проникновение водорода в сталь и, следовательно, его можно использовать в качестве диффузионного барьера для водорода. Никель можно также использовать в качестве эффективного легирующего элемента, поскольку он способствует образованию упорядоченных соединений в феррите, таких как компонент В2, что приводит к дополнительному упрочнению. Однако желательно, в частности, по соображениям себестоимости ограничить добавление никеля до максимального содержания 4,0% или менее и предпочтительно 0,1 - 2,0% или 0,1 - 1,0%. В другом осуществлении количество никеля составляет менее 0,1%.
Хром можно использовать в качестве дополнительного элемента для повышения прочности стали путём твёрдорастворного упрочнения. Он также повышает высокотемпературную коррозионную стойкость сталей в соответствии с изобретением. Однако, поскольку хром уменьшает энергию дефектов упаковки, его содержание не должно превышать 3,0% и предпочтительно составляет 0,1 - 2,0% или 0,1 - 1,0%. В другом осуществлении содержание хрома составляет менее 0,1%.
Аналогичным образом добавление меди с содержанием, не превышающим 3,0%, необязательно является одним из способов упрочнения стали путём выделения богатых по меди выделений. Однако выше этого содержания медь отвечает за появление дефектов поверхности горячекатаного листа. Предпочтительно содержание меди составляет 0,1 - 2,0% или 0,1 - 1,0%. В другом осуществлении количество меди составляет менее 0,1%.
Бор имеет очень низкую растворимость в твёрдом растворе и существенную тенденцию к сегрегации на границах зёрен, значительно влияет на дефекты решётки. Поэтому бор может быть использован для ограничения выделения межзёренных каппа-карбидов. Предпочтительно содержание бора составляет менее 0,1%.
Ниобий может одновременно повышать прочность и вязкость стали, поскольку это эффективная добавка, измельчающая зерно. Кроме того, тантал, цирконий, ниобий, ванадий, титан, молибден и вольфрам также являются элементами, которые могут быть необязательно использованы для достижения повышения твёрдости и упрочнения путём выделения нитридов, карбонитридов или карбидов. Однако когда их общее содержание превышает 2,0%, предпочтительно выше 1,0%, существует риск того, что чрезмерное выделение может привести к снижению вязкости, чего следует избегать.
Микроструктура стального листа согласно изобретению необязательно включает до 3% каппа-карбидов, необязательно до 10% зернистого феррита и остальное является аустенитом.
Средний размер зерна аустенитной матрицы составляет менее 6 мкм и предпочтительно менее 4 мкм, более предпочтительно менее 3 мкм и имеет среднее соотношение сторон 1,5 - 6, предпочтительно 2,0 - 4,0 и более предпочтительно 2,0 - 3,0.
Во время закалки возможные модуляции в аустенитных зёрнах могут указывать на начало упорядочения L'12 и, следовательно, присутствие внутризёренных каппа-карбидов. Поэтому каппа-карбиды (Fe, Mn)3AlCx могут присутствовать в микроструктуре стального листа в соответствии с изобретением в количестве до 3% доли площади. Присутствие межзёренных каппа-карбидов не допускается, поскольку такие межзёренные крупные каппа-карбиды могут приводить к снижению пластичности стали.
Феррит может также присутствовать в микроструктуре листа в соответствии с изобретением в количестве до 10,0% доли площади, предпочтительно до 5,0% или более предпочтительно до 3,0%. Однако морфология феррита ограничена геометрией зерна, исключая феррит в виде полос, поскольку они резко ухудшают пластичность и формуемость стали. Когда они присутствуют, ферритные зёрна имеют средний размер зерна менее 5 мкм и предпочтительно менее 1 мкм. Среднее соотношение сторон феррита, если он присутствует, составляет менее 3,0 и предпочтительно менее 2,5. Такой феррит может находиться в форме правильного разупорядоченного α феррита или упорядоченного в виде структуры B2 состава (Fe, Mn)Al или в виде структуры D03 состава (Fe, Mn)3Al, так что структуры α, B2 и D03 могут наблюдаться в стали согласно изобретению.
Чтобы защитить стальной лист в соответствии с изобретением от коррозии, в предпочтительном осуществлении стальной лист покрыт металлическим покрытием. Металлическое покрытие может представлять собой покрытие на основе алюминия или на основе цинка.
Предпочтительно покрытие на основе алюминия включает менее 15% Si, менее 5,0% Fe, необязательно 0,1 - 8,0% Mg и необязательно 0,1 - 30,0% Zn, остальное составляет Al.
Преимущественно покрытие на основе цинка включает 0,01 - 8,0% Al, необязательно 0,2 - 8,0% Mg, и остаток составляет Zn.
Стальной лист согласно изобретению может быть изготовлен любым подходящим способом изготовления, и специалист в данной области техники может его выбрать. Однако предпочтительно использовать способ согласно изобретению, который включает следующие стадии:
подачи сляба, состав которого соответствует изобретению
повторного нагрева такого сляба при температуре выше 1000°С и его горячей прокатки с конечной температурой прокатки не менее 800°С,
намотки горячекатаного стального листа при температуре выше 350°С,
холодной прокатки такого горячекатаного стального листа со степень обжатия 30 - 80%
отжига такого холоднокатаного листа нагревом его до температуры отжига 700 - 1000°С, его выдержки при такой температуре в течение менее 5 минут и его охлаждения со скоростью не менее 30°С/с.
Стальные листы в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно получают способом, в котором отливают полуфабрикат, такой как слябы, тонкие слябы или полосовая сталь в соответствии с настоящим изобретением, имеющей состав, описанный выше, отливки нагревают до температуры выше 1000°С, предпочтительно выше 1050°С и более предпочтительно выше 1100°С или 1150°С или используют непосредственно при такой температуре после литья без промежуточного охлаждения.
Стадию конечной горячей прокатки проводят при температуре выше 800°С. Чтобы избежать проблем с трещинами из-за недостаточной пластичности за счёт формировании феррита в виде полос, температура конечной прокатки предпочтительно выше или равна 850°С.
После горячей прокатки полосу необходимо намотать при температуре ниже 600°С и предпочтительно выше 350°С. В предпочтительном осуществлении намотку выполняют между 350 и 450°С, чтобы избежать чрезмерного выделения каппа-карбида.
Горячекатаный продукт, полученный описанным выше способом, подвергают холодной прокатке после возможного выполнения обычным образом предварительной обработки травлением.
Стадию холодной прокатки выполняют со степенью обжатия 30 - 80%, предпочтительно 50 - 70%.
После этой стадии прокатки проводят короткий отжиг нагревом листа до температуры отжига, составляющей 700 - 1000°С, выдержку при такой температуре в течение менее 5 минут и его охлаждение со скоростью, по меньшей мере, 30°С/с, более предпочтительно, по меньшей мере, 50°С/с и даже более предпочтительно, по меньшей мере, 70°С/с. Предпочтительно этот отжиг проводят непрерывно. Контролируя температуру и время отжига, можно получить либо полностью аустенитную, либо двухфазную структуру с вышеуказанными характеристиками.
После этой стадии отжига стальной лист необязательно может быть покрыт металлическом покрытием для улучшения его защиты от коррозии. Используемый способ нанесения покрытия может быть любым способом, приспособленным к стали по изобретению. Можно привести электролитическое или физическое осаждение из паровой фазы с особым вниманием к струйному нанесению покрытия осаждением паров. Металлическое покрытие может быть на основе, например, цинка или алюминия.
Примеры
Девять марок, состав которых собран в таблице 1, отливают в слябы и обрабатывают в соответствии с параметрами процесса, представленными в таблице 2.
Таблица 1 – Состав
| Марка | C | Mn | Al | Si | V | S | P | N |
| A | 0,887 | 24,90 | 8,70 | 0,217 | - | 0,004 | 0,025 | 0,0017 |
| B | 0,920 | 28,88 | 9,37 | 0,035 | - | 0,007 | 0,011 | 0,0009 |
| C | 0,920 | 19,15 | 8,65 | 0,050 | - | 0,003 | 0,009 | 0,0057 |
| D | 0,360 | 28,88 | 9,52 | 0,040 | - | 0,010 | 0,011 | 0,0013 |
| E | 0,560 | 29,06 | 9,57 | 0,040 | - | 0,012 | 0,011 | 0,0010 |
| F | 0,900 | 19,65 | 8,32 | 0,045 | 0,180 | 0,010 | 0,010 | 0,005 |
| G | 1,130 | 26,75 | 9,95 | 0,031 | - | 0,010 | 0,010 | 0,004 |
| H | 0,900 | 19,54 | 8,81 | 0,041 | - | 0,008 | 0,010 | 0,003 |
| I | 0,900 | 22,79 | 8,58 | 0,041 | - | 0,007 | 0,010 | 0,003 |
Таблица 2 – Параметры процесса
| Проба | Марка | Повторный нагрев T (°C) | Конечная горячая прокатка T (°C) | Скорость охлаждения (°C/с) | Охлаждение T (°C) | Степень обжатия холодной прокатки (%) | Отжиг | ||
| T (°C) | Время выдержки (мин) | Скорость охлаждения (°C/с) | |||||||
| 1 | A | 1170 | 890 | 75 | 400 | 58 | 850 | 3 | 80 |
| 2 | B | 1170 | 985 | 75 | 400 | 64 | 875 | 3 | 80 |
| 3 | C | 1170 | 996 | 80 | 400 | 61 | 850 | 3 | 80 |
| 4 | D | 1170 | 940 | 80 | 400 | 62 | 875 | 3 | 80 |
| 5 | E | 1170 | 950 | 80 | 400 | 63 | 875 | 3 | 80 |
| 6 | B | 1170 | 985 | 75 | 400 | 55 | 875 | 10 | 80 |
| 7 | F | 1170 | 990 | 70 | 400 | 63 | 850 | 1 | 355 |
| 8 | F | 1170 | 990 | 70 | 400 | 63 | 850 | 3 | 355 |
| 9 | F | 1170 | 990 | 70 | 400 | 63 | 850 | 3 | 8 |
| 10 | F | 1170 | 990 | 70 | 400 | 63 | 825 | 3 | 8 |
| 11 | F | 1170 | 990 | 70 | 400 | 63 | 825 | 1 | 8 |
| 12 | G | 1170 | 970 | 70 | 400 | 60 | 975 | 3 | 60 |
| 13 | H | 1170 | 980 | 70 | 400 | 58 | 850 | 3 | 8 |
| 14 | H | 1170 | 980 | 4 | 400 | 58 | 850 | 3 | 60 |
| 15 | I | 1170 | 955 | 4 | 400 | 59 | 875 | 3 | 60 |
Полученные образцы затем анализируют и соответствующие элементы микроструктуры и механические свойства соответственно представлены в таблице 3 и 4.
Таблица 3 – Микроструктура
| Проба | Аустенит (%) | Упорядоченный феррит (%) | Форма феррита | Каппа-карбиды (%) | Размер зерна аустенита (мкм) | Соотношение сторон аустенита | Размер зерна феррита (мкм) | Соотношение сторон феррита |
| 1 | 95 | 5 | зернистый | Присутствуют < 3% | 2,30 | 2,36 | 0,54 | 1,81 |
| 2 | 100 | - | - | Присутствуют < 3% | 2,38 | 2,60 | - | - |
| 3 | 98,7 | 1,3 | зернистый | Присутствуют < 3% | 2,04 | 2,44 | 0,47 | 1,80 |
| 4 | 65 | 35 | широкие полосы | Отсутствуют | 2,50 | 2,53 | - | - |
| 5 | 80 | 20 | полосы | Отсутствуют | 2,44 | 2,87 | 2,22 | 3,54 |
| 6 | 100 | - | - | Отсутствуют | 2,20 | 1,4 | - | - |
| 7 | 96 | 4 | зернистый | Присутствуют < 3% | 1,9 | 1,9 | 0,48 | 1,7 |
| 8 | 96 | 4 | зернистый | Присутствуют < 3% | 2,1 | 1,9 | 0,54 | 1,8 |
| 9 | 88 | 12 | зернистый | Присутствуют < 3% | 2,1 | 1,9 | 0,54 | 1,8 |
| 10 | 85 | 15 | зернистый | Присутствуют < 3% | 1,9 | 1,9 | 0,54 | 1,75 |
| 11 | 85 | 15 | зернистый | Присутствуют < 3% | 1,8 | 1,9 | 0,45 | 1,75 |
| 12 | 100 | 0 | - | Присутствуют < 3% | 2,8 | 2,0 | - | - |
| 13 | 88 | 12 | зернистый | Присутствуют < 3% | 1,95 | 2,05 | 0,45 | 1,9 |
| 14 | 94 | 6 | зернистый | Присутствуют < 3% | 1,95 | 2,05 | 0,50 | 1,85 |
| 15 | 97 | 3 | зернистый | Присутствуют < 3% | 2,25 | 2,05 | 0,50 | 1,9 |
В образцах отсутствуют межзёренные каппа-карбиды и фаза β–Mn.
Таблица 4 – Свойства
| Проба | Плотность | Предел прочности при растяжении (MПa) | Предел текучести (MПa) | Равномерное относительное удлинение (%) |
| 1 | 6,81 | 1068 | 878 | 31,3 |
| 2 | 6,75 | 1065 | 831 | 34,0 |
| 3 | 6,92 | 1067 | 862 | 31,9 |
| 4 | 6,76 | 940 | 660 | 21,4 |
| 5 | 6,75 | 945 | 670 | 24,9 |
| 6 | 6,75 | 979 | 593 | 39,8 |
| 7 | 6,86 | 1090 | 873 | 28,0 |
| 8 | 6,86 | 1102 | 898 | 28,2 |
| 9 | 6,86 | 1102 | 896 | 26,0 |
| 10 | 6,86 | 1120 | 965 | 26,1 |
| 11 | 6,86 | 1129 | 969 | 25,4 |
| 12 | 6,60 | 953 | 804 | 42,0 |
| 13 | 6,78 | 1140 | 1059 | 24,8 |
| 14 | 6,78 | 1100 | 949 | 28,0 |
| 15 | 6,83 | 1023 | 713 | 34,6 |
Примеры показывают, что стальные листы в соответствии с изобретением являются единственными, которые проявляют все искомые свойства благодаря их специфическим составу и микроструктурам.
1. Холоднокатаный и отожженный стальной лист, включающий по массе:
0,6 ≤ C ≤ 1,3%,
15,0 ≤ Mn ≤ 35%,
5 ≤ Al ≤ 15%,
Si ≤ 2,40%,
S ≤ 0,03%,
P ≤ 0,1%,
N ≤ 0,1%,
возможно, один или несколько дополнительных элементов, выбранных из Ni, Cr и Cu в количестве соответственно до 4,0%, до 3,0% и до 3,0% и, возможно, один или несколько элементов, выбранных из B, Ta, Zr, Nb, V, Ti, Mo и W в суммарном количестве до 2,0%, остальное в составе - железо и неизбежные примеси, при этом микроструктура указанного листа содержит необязательно до 3% каппа-карбидов, необязательно до 5% зернистого феррита, остальное представляет собой аустенит, причем средний размер зерна и среднее соотношение сторон зерна аустенита составляют соответственно менее 6 мкм и 1,5 - 6, а средний размер зерна и среднее соотношение сторон феррита, когда присутствует, соответственно менее 5 мкм и менее 3,0.
2. Стальной лист по п. 1, в котором содержание углерода составляет от 0,8 до 1,0%.
3. Стальной лист по п. 1 или 2, в котором содержание марганца составляет 20 - 30%.
4. Стальной лист по любому из пп. 1 - 3, в котором содержание алюминия составляет 8,5 - 10%.
5. Стальной лист по любому из пп. 1 - 4, в котором стальной лист имеет предел прочности при растяжении, по меньшей мере, 900 МПа, предел текучести, по меньшей мере, 700 МПа и равномерное относительное удлинение, по меньшей мере, 28%.
6. Стальной лист по любому из пп. 1 - 5, в котором стальной лист покрыт металлическим покрытием.
7. Стальной лист по п. 6, в котором стальной лист покрыт покрытием на основе алюминия или на основе цинка.
8. Способ изготовления холоднокатаного и отожженного стального листа по любому из пп. 1-5, включающий следующие стадии:
подача сляба, имеющего состав по любому из пп. 1 – 4,
нагрева указанного сляба при температуре выше 1000°С и его горячую прокатку с конечной температурой прокатки не менее 800°С,
намотку горячекатаного стального листа при температуре менее 600°С,
холодную прокатку горячекатаного стального листа со степенью обжатия 30 - 80%,
отжиг холоднокатаного листа его нагревом до температуры отжига, составляющей 700 - 1000°С, выдержку при такой температуре в течение менее 5 минут и его охлаждения со скоростью не менее 30°С/с.
9. Способ по п. 8, в котором температура отжига составляет 800 - 950°С.
10. Способ по п. 8 или 9, в котором температура намотки составляет 350 - 500°С.
11. Способ по любому из пп. 8 - 10, дополнительно включающий конечную стадию покрытия.
12. Применение стального листа по любому из пп. 1 - 7 для изготовления конструкционной или защитной детали транспортного средства.
13. Применение способа изготовления стального листа по любому из пп. 8-11 для изготовления конструкционной или защитной детали транспортного средства.
14. Деталь, выполненная из холоднокатаного и отожженного стального листа по любому из пп. 1-7 путем гибкой прокатки.
15. Транспортное средство, содержащее деталь по п. 14.
