ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ГОРЯЧЕКАТАНЫЙ СТАЛЬНОЙ ЛИСТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК C21D8/02 C22C38/02 C22C38/04 C22C38/06 C22C38/12 C22C38/14 C22C38/38 C22C38/32 C22C38/34 C22C38/28 C22C38/26 C22C38/22 B23K11/11 

Настоящее изобретение относится к высокопрочному стальному листу, имеющему высокую вязкость и подходящую свариваемость, и к способу получения такого стального листа.

Известно, что для изготовления различных изделий, таких как элементы конструкции кузова и панели кузова для автомобилей, используют листы, изготовленные из сталей DP (двухфазная) или сталей TRIP (пластичность, вызванная трансформацией).

Одной из основных задач в автомобильной промышленности является снижение веса транспортных средств с целью повышения их топливной экономичности с учётом глобального сохранения окружающей среды, не пренебрегая при этом требованиями безопасности. Чтобы удовлетворить этим требованиям, в сталелитейной промышленности постоянно разрабатываются новые высокопрочные стали, чтобы иметь листы с улучшенной деформируемостью и пределом прочности при растяжении, а также с подходящей пластичностью и формуемостью.

Одной из разработок, направленных на улучшение механических свойств, является увеличение содержания марганца в сталях. Присутствие марганца способствует повышению пластичности сталей благодаря стабилизации аустенита. Но у этих среднемарганцевых сталей имеются недостатки, заключающиеся в хрупкости.

В WO 2007101921 описан способ получения горячекатаных листов из «многофазных» сталей, в частности, с содержанием марганца 1 - 3%. Микроструктура состоит по меньшей мере из 75% бейнита, остаточного аустенита в количестве более или равном 5% и мартенсита более или равном 2%. Для достижения энергии разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом выше 28 Дж (что соответствует 0,52 Дж/мм²) и целевой микроструктуры необходимо контролировать охлаждение горячекатаного стального листа. Для получения требуемых свойств фактически необходимы две стадии охлаждения, что усложняет производственный процесс.

Таким образом, цель изобретения состоит в том, чтобы решить вышеуказанную проблему и предложить стальной лист, обладающий высокой ударной вязкостью по Шарпи при 20°C выше 0,50 Дж/мм², пределом прочности при растяжении TS выше или равным 1450 МПа, высоким равномерным удлинением выше или равным 5%, который легко обрабатывается по обычной технологии. Другой целью изобретения является создание стального листа, обладающего подходящей свариваемостью.

Цель настоящего изобретения достигается предложением стального листа по п. 1. Стальной лист также может иметь характеристики по любому из пп. 2-6. Ещё одна цель достигается предложением способа по п. 7. Другая цель изобретения достигается предложением стального листа, имеющего характеристики по п. 8.

Теперь изобретение будет подробно описано и проиллюстрировано неограничивающими примерами.

Здесь и далее Ms обозначает температуру начала формирования мартенсита, т.е. температуру, при которой аустенит начинает превращаться в мартенсит при охлаждении. Эту температуру можно рассчитать по формуле, на основе массовых процентов соответствующих элементов:

Ms= 560 - (30%Mn+13%Si-15%Al+12%Mo)-600⋅(1-exp(-0,96%C))

Далее будет описан состав стали согласно изобретению, содержание которого выражено в массовых процентах.

Содержание углерода составляет 0,10 - 0,25%. Если содержание углерода слишком велико, свариваемость стального листа недостаточна. Если содержание углерода ниже 0,10%, аустенитная фракция недостаточно стабилизирована для получения целевых свойств. В предпочтительном осуществлении изобретения содержание углерода составляет 0,15 - 0,20%.

Содержание марганца составляет 3,5 - 5,0%. При добавлении выше 5,0% возрастает риск осевой ликвации в ущерб вязкости. Ниже 3,5% конечная структура включает недостаточную долю остаточного аустенита для получения требуемых свойств. В предпочтительном осуществлении изобретения содержание марганца составляет 3,5 - 4,5%.

Согласно изобретению, содержание кремния составляет 0,80 - 1,60%. Добавление по меньшей мере 0,80% кремния помогает стабилизировать достаточное количество остаточного аустенита. Содержание кремния выше 1,60% ухудшает вязкость. Кроме того, на поверхности образуются оксиды кремния, что ухудшает способность стали к нанесению покрытия. В предпочтительном осуществлении изобретения содержание кремния составляет 1,00 - 1,60%.

Согласно изобретению, содержание бора составляет 0,0003 - 0,004%. Присутствие бора задерживает бейнитное превращение до более низкой температуры, а бейнит, образующийся при низкой температуре, имеет реечную морфологию, которая увеличивает ударную вязкость. Кроме того, бор улучшает свариваемость стального листа. Содержание выше 0,004% способствует образованию борокарбидов на границах бывших аустенитных зёрен, что делает сталь более хрупкой. При содержании ниже 0,0003% концентрации свободного B, который выделяется на границах бывших аустенитных зёрен, недостаточно для повышения вязкости стали. В предпочтительном осуществлении изобретения содержание бора составляет 0,001 - 0,003%.

В состав стали согласно изобретению, необязательно могут быть добавлены некоторые элементы.

Титан необязательно может быть добавлен до 0,04% для обеспечения дисперсионного упрочнения. Предпочтительно в дополнение к бору добавляют минимум 0,01% титана для защиты от образования BN.

Ниобий может быть добавлен до 0,05% для измельчения аустенитных зёрен во время горячей прокатки и обеспечения дисперсионного упрочнения. Предпочтительно минимальное количество добавляемого ниобия составляет 0,0010%.

Необязательно может быть добавлен молибден, но не более 0,3%. Молибден стабилизирует аустенит и повышает вязкость стали. Кроме того, молибден улучшает свариваемость стального листа. Добавление молибдена выше 0,3% является дорогостоящим и неэффективным с точки зрения требуемых свойств.

Необязательно может быть добавлен алюминий до 0,90%, так как он является очень эффективным элементом для раскисления стали в жидкой фазе во время обработки. Кроме того, алюминий улучшает свариваемость стального листа. Содержание алюминия составляет менее 0,90%, чтобы избежать появления включений и проблем с окислением. Предпочтительно содержание алюминия составляет 0,10 - 0,90%. Более предпочтительно содержание алюминия составляет 0,20 - 0,90%. Более предпочтительно содержание алюминия составляет 0,30 - 0,90%, более предпочтительно 0,40 - 0,90%.

Согласно изобретению, допускается максимальное содержание хрома 0,80%. Выше отмечен эффект насыщения, и добавление хрома и бесполезно, и дорого.

Остальную часть состава стали составляют железо и примеси, образовавшиеся в результате плавки. В этом отношении по меньшей мере P, S и N считаются остаточными элементами, которые являются неизбежными примесями. Их содержание составляет менее 0,010% по S, менее 0,020% по P и менее 0,008% по N.

В частности, фосфор выделяется на границе зёрен, и при содержании фосфора выше 0,020% ударная вязкость стали снижается.

Теперь будет описана микроструктура горячекатаного стального листа согласно изобретению. Указанное ниже отношение сторон представляет отношение максимальной длины L_max зерна к максимальной ширине W_max зерна, измеренной под углом 90° к указанной максимальной длине.

Горячекатаный стальной лист имеет микроструктуру, состоящую в поверхностной части от 50 - 80% реечного бейнита, менее 30% зернистого бейнита, а остальную часть составляют мартенсит, мартенситно-аустенитные островки (МА) и аустенитные плёнки, сумма которых составляет 15 - 35%. Более того, менее 20% мартенсита и М-А-островков имеют произведение максимальной длины L_max зерна на максимальную ширину W_max зерна выше 1 мкм².

Реечную морфологию бейнита получают благодаря присутствию бора, замедляющему бейнитное превращение, и благодаря низкотемпературной намотке. В соответствии с настоящим изобретением реечный бейнит представляет собой бейнит, имеющий отношение сторон выше или равное 3. Наличие 50 - 80% реечного бейнита полезно для вязкости горячекатаной стали. Зернистый бейнит имеет отношение сторон ниже 3.

Остальная часть микроструктуры состоит из мартенсита, островков М-А и аустенитных плёнок, сумма которых составляет 15 - 35%, чтобы обеспечить равномерное удлинение выше 5%. Если сумма мартенсита, островков М-А и аустенитных плёнок выше 35%, то аустенит в островках М-А и аустенитных плёнках становится нестабильным и превращается в мартенсит, что приводит к снижению относительного удлинения.

Менее 20% фракции мартенсита и М-А островков имеют произведение L_max на W_max выше 1 мкм². При содержании выше 20% островки М-А превращаются в свежий мартенсит, что приводит к ухудшению относительного удлинения.

Мартенситно-аустенитные (M-A) островки имеют отношение размеров ниже или равное 2. Эти M-А островки возникают во время намотки. Часть аустенита превращается в реечный бейнит, как описано выше. Часть аустенита превращается в мартенсит, образуя островки М-А во время намотки. Последняя часть аустенита остаётся в конечной микроструктуре. Плёнки аустенита представляют собой аустенит между рейками бейнита с отношением сторон выше или равным 2. И островки М-А, и аустенитные плёнки улучшают вязкость горячекатаного стального листа.

Горячекатаный стальной лист в соответствии с изобретением имеет ударную вязкость по Шарпи при 20°C строго выше 0,50 Дж/мм², измеренную в соответствии со стандартом ISO 148-1:2006 (F) и ISO 148-1:2017(F). Горячекатаный стальной лист, согласно изобретению, имеет предел прочности при растяжении TS выше или равный 1450 МПа и равномерное удлинение UE выше или равное 5%. Предпочтительно горячекатаный стальной лист, согласно изобретению, имеет общее удлинение TE строго выше 7%. TS, UE и TE измеряют в соответствии со стандартом ISO 6892-1.

Стальной лист в соответствии с изобретением может быть изготовлен любым подходящим способом изготовления, и специалист в данной области техники может его определить. Однако предпочтительно использовать способ согласно изобретению, включающий следующие стадии:

Полуфабрикат, пригодный для дальнейшей горячей прокатки, имеет состав стали, описанный выше. Полуфабрикат нагревают до температуры 1150 - 1300°C, чтобы облегчить горячую прокатку, при этом конечная температура FRT горячей прокатки составляет 750 - 900°C. Предпочтительно FRT составляет 800 - 900°С. Когда FRT выше 900°C, кинетика бейнитного превращения значительно замедляется во время намотки, что приводит к образованию высокой доли мартенсита, М-А островков и аустенита в конечной микроструктуре. Кроме того, наличие большой доли мартенсита и М-А островков, имеющих L_max ⋅ W_max выше 1 мкм², приводит к ухудшению относительного удлинения.

Затем горячекатаную сталь охлаждают и сматывают в рулон при температуре T_coil между (Ms-100°C) и 550°C.

Затем горячекатаный стальной лист охлаждают до комнатной температуры.

После намотки лист можно протравить для удаления продуктов окисления.

Другой целью изобретения является создание стального листа, обладающего подходящей свариваемостью.

Сварное изделие изготавливают путём изготовления двух листов горячекатаной стали и контактной точечной сварки двух стальных частей.

Точечную сварку в условиях стандарта ISO 18278-2 выполняют на горячекатаных стальных листах.

В используемом испытании образцы состоят из двух одинаковых листов стали, сваренных крест-накрест. Усилие прикладывают так, чтобы разрушить точку сварки. Это усилие, известное как прочность на поперечное растяжение (CTS), выражается в даН. Оно зависит от диаметра точки сварки и толщины металла, то есть толщины стали и металлического покрытия. Оно позволяет рассчитать коэффициент α, представляющий собой отношение значения CTS к произведению диаметра точки сварки на толщину подложки. Этот коэффициент выражается в даН/мм².

Отношение диаметра электрода к диаметру точки сварки равно диаметру электрода, делённому на диаметр расплавленной зоны.

Точечные электросварные швы, соединяющие первый лист со вторым листом, характеризуются высоким сопротивлением при испытании на поперечное растяжение, определяемым значением α не менее 50 даН/мм², и отношение диаметра электрода к диаметру точки сварки не менее 80%.

Теперь изобретение будет проиллюстрировано следующими примерами, которые никоим образом не ограничивают его объём притязаний.

Пример 1

4 образца, составы которых приведены в таблице 1, отливают в полуфабрикаты и перерабатывают в стальные листы.

Таблица 1. Составы

Испытываемые составы представлены в следующей таблице, в которой содержание элементов выражено в массовых процентах.

Стали А и В соответствуют изобретению, С и D не соответствуют изобретению.

Таблица 2. Параметры процесса

Стальные полуфабрикаты в литом виде подвергают повторному нагреву до 1200°С, горячей прокатке и сматыванию в рулоны. Применяют следующие конкретные условия:

Подчеркнутые значения: не соответствуют изобретению

Затем горячекатаные листы анализируют и соответствующие элементы микроструктуры, механические свойства и свойства свариваемости представлены соответственно в таблицах 3, 4 и 5.

Таблица 3. Микроструктура горячекатаного стального листа

Определено процентное содержание фаз микроструктуры полученного горячекатаного стального листа:

Подчеркнутые значения: не соответствует изобретению

n.a.: значение не оценивалось

Поверхностные доли фаз в микроструктуре определяют следующим методом: из горячекатаного проката вырезают образец, который полируют и травят известным в уровне техники реагентом для выявления микроструктуры. Затем срез исследуют с помощью сканирующего электронного микроскопа, например, с помощью сканирующего электронного микроскопа с полевой эмиссионной пушкой («FEG-SEM») при увеличении более чем в 5000 в режиме вторичных электронов.

Определение доли поверхности аустенитных плёнок и островков М-А выполняют посредством СЭМ после травления реагентами нитал или пикрал/нитал.

В соответствии с настоящим изобретением реечным бейнитом будет бейнит, имеющий отношение размеров выше или равное 3. Согласно изобретению, островки М-А имеют отношение размеров ниже или равное 2.

Таблица 4. Механические свойства горячекатаного стального листа

Определены механические свойства испытанных образцов и представлены в следующей таблице:

Подчеркнутые значения: не соответствуют целевым значениям

n.a.:значение не оценивалось

Таблица 5. Свариваемость горячекатаного стального листа

Определены свойства свариваемости некоторых образцов и представлены в следующей таблице:

Подчеркнутые значения: не соответствуют целевым значениям

Примеры показывают, что стальные листы в соответствии с изобретением, а именно примеры 1-3, являются единственными листами, которые демонстрируют все целевые свойства благодаря их специфическому составу и микроструктуре.

В испытании 4 стальной лист подвергают горячей прокатке с температурой FRT 910°C, что приводит к высокой доле мартенсита и островков MA. Это приводит к равномерному удлинению менее 5%.

Отсутствие бора в сталях С и D приводит к низкому уровню ударной вязкости по Шарпи в испытаниях 5 и 6 с образованием более 30% зернистого бейнита, снижающего вязкость разрушения стали. Что касается параметров свариваемости, то отсутствие бора, молибдена и алюминия отрицательно сказывается на α и отношении диаметра электрода к пятну сварки.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к горячекатаному стальному листу, используемому в автомобилестроении. Лист изготовлен из стали, имеющей состав, включающий, мас.%: С: 0,10-0,25, Мn: 3,5-5,0, Si: 0,80-1,60, В: 0,0003-0,004, S ≤ 0,010, Р ≤ 0,020, N ≤ 0,008, при необходимости по меньшей мере один из следующих элементов: Ti ≤ 0,04, Nb ≤ 0,05, Mo ≤ 0,3, Al ≤ 0,90 и Cr ≤ 0,80, остальное - железо и неизбежные примеси, образующиеся в результате плавки. Стальной лист имеет микроструктуру, включающую в долях поверхности: 50-80% реечного бейнита с отношением размеров выше или равным 3, менее 30% зернистого бейнита с отношением размеров менее 3, остальные представляют собой мартенсит и мартенситно-аустенитные М-А островки, имеющие отношение размеров ниже или равное 2, и аустенитные плёнки, причем общая сумма мартенсита, островков М-А и аустенитных плёнок составляет 15-35%. Менее 20% указанного мартенсита и указанных островков M-A имеют произведение максимальной длины зерна L_max на максимальную ширину зерна W_max более 1 мкм². Стальной лист обладает высокими механическими свойствами, требуемым уровнем обрабатываемости и свариваемости. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 табл., 1 пр.

1. Горячекатаный стальной лист, изготовленный из стали, имеющей состав, включающий, мас.%:

С: 0,10-0,25;

Мn: 3,5–5,0;

Si: 0,80–1,60;

В: 0,0003-0,004;

S ≤ 0,010;

Р ≤ 0,020;

N ≤ 0,008;

при необходимости по меньшей мере один из следующих элементов:

Ti ≤ 0,04;

Nb ≤ 0,05;

Mo ≤ 0,3;

Al ≤ 0,90;

Cr ≤ 0,80;

остальное - железо и неизбежные примеси, образующиеся в результате плавки,

причем указанный стальной лист имеет микроструктуру, включающую в долях поверхности:

50-80% реечного бейнита с отношением размеров выше или равным 3,

менее 30% зернистого бейнита с отношением размеров менее 3,

остальные представляют собой мартенсит и мартенситно-аустенитные М-А островки, имеющие отношение размеров ниже или равное 2, и аустенитные плёнки, причем общая сумма мартенсита, островков М-А и аустенитных плёнок составляет 15-35%,

и менее 20% указанного мартенсита и указанных островков M-A имеют произведение максимальной длины зерна L_max на максимальную ширину зерна W_max более 1 мкм².

2. Горячекатаный стальной лист по п. 1, в котором содержание марганца составляет 3,5-4,5 мас.%.

3. Горячекатаный стальной лист по п. 1 или 2, в котором содержание кремния составляет 1,00-1,60 мас.%.

4. Горячекатаный стальной лист по любому из пп. 1-3, который имеет ударную вязкость по Шарпи при 20°С строго выше 0,50 Дж/мм².

5. Горячекатаный стальной лист по любому из пп. 1-4, который имеет предел прочности при растяжении TS выше или равный 1450 МПа.

6. Горячекатаный стальной лист по любому из пп. 1-5, который имеет равномерное удлинение UE выше или равное 5%.

7. Способ изготовления горячекатаного стального листа по любому из пп. 1-6, включающий следующие последовательные стадии:

разливка стали с получением полуфабриката, имеющего состав, включающий, мас.%: С: 0,10-0,25, Мn: 3,5–5,0, Si: 0,80–1,60, В: 0,0003-0,004, S ≤ 0,010, Р ≤ 0,020, N ≤ 0,008, при необходимости по меньшей мере один из следующих элементов: Ti ≤ 0,04, Nb ≤ 0,05, Mo ≤ 0,3, Al ≤ 0,90, Cr ≤ 0,80, остальное - железо и неизбежные примеси, образующиеся в результате плавки,

повторный нагрев полуфабриката при температуре T_reheat 1150-1300°C,

горячая прокатка полуфабриката с конечной температурой горячей прокатки 750-900°С для получения горячекатаной стали,

охлаждение горячекатаной стали,

сматывание горячекатаной стали в рулон при температуре намотки T_coil между (Ms-100°C) и 550°C для получения рулона стального листа, и

охлаждение рулона стального листа до комнатной температуры с получением горячекатаного стального листа.

8. Шов контактной точечной сварки двух горячекатаных стальных листов по любому пп. 1-6 или горячекатаный стальных листов, полученных способом по п. 7, причём шов контактной точечной сварки имеет значение α, представляющее собой отношение прочности на поперечное растяжение к произведению диаметра точки сварки на толщину, составляющее не менее 50 даН/мм², и отношение диаметра электрода к диаметру точки сварки не менее 80%.