Сталь с очень высокой механической прочностью, способ получения листа из стали с покрытием из цинка или цинкового сплава и его применение

Изобретение относится к металлургии, а именно к стали с очень высокой механической прочностью, листу, выполненному из такой стали, способу его получения, и может быть использовано в автомобильной промышленности. Сталь содержит, мас.%: 0,080≤С≤0,120, 0,800≤Mn≤0,950, Si≤0,300, Cr≤0,300, 0,150≤Mo≤0,350, 0,020≤Al≤0,100, Р≤0,100, В≤0,010, Ti≤0,050, остальное - железо и примеси, образовавшиеся при выплавке, при этом микроструктура образована ферритом и мартенситом. Способ получения стального листа включает отливку листового слитка, горячую и холодную прокатки слитка для получения листа, нагрев листа со скоростью 2-100°С/с до температуры выдержки 700-900°С, охлаждение листа со скоростью 2-100°С/с до температуры, близкой к температуре ванны жидкого цинка или цинкового сплава, нанесение на лист покрытия из цинка или цинкового сплава погружением в указанную ванну и охлаждение до температуры окружающей среды со скоростью 2-100°С/с. Сталь имеет высокую прочность и способность к цинкованию. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к стали с очень высокой механической прочностью и к способу получения листа из этой стали с покрытием из цинка или цинкового сплава.

Предшествующий уровень техники

Имеется несколько групп сталей с очень высокой механической прочностью, различающихся между собой химическим составом и микроструктурой. Так, двухфазные стали обладают микроструктурой, образованной ферритом и мартенситом, обеспечивающими им предел прочности при растяжении от 400 МПа до более чем 1200 МПа.

Для получения микроструктуры, обеспечивающей высокие механические свойства, в эти марки сталей вводятся в довольно больших количествах элементы, такие как хром, кремний, марганец, алюминий или фосфор. Однако при нанесении на такие марки сталей защитного покрытия от коррозии, например горячим цинкованием путем погружения, возникают трудности.

Действительно отмечено, что поверхность стальных листов обладает очень низкой смачиваемостью цинком или цинковыми сплавами. Листы содержат непокрытые участки, образующие зоны преимущественного развития коррозии.

Для решения этой проблемы предлагались разные подходы. Так, известны способы предварительного нанесения покрытия металла для повышения способности цинка к сцеплению. С этой целью предложено наносить, как правило электроосаждением, покрытия из железа, алюминия, меди и других металлов. Эти способы имеют тот недостаток, что перед собственно цинкованием требуется дополнительный этап обработки.

Также было предложено пропускать листы через отжиговые печи, содержащие, в частности, специальную атмосферу газа, обеспечивающую выборочное окисление железа для формирования покрытия из оксида железа, на которое хорошо наносится цинк. Однако такой способ требует очень тщательной регулировки и очень строгого контроля за режимом окисления.

Раскрытие сущности изобретения

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание стали, составу которой не присущи недостатки, характерные для состава известных из уровня техники сталей, и которая обладает, в частности, высокой способностью к покрытию цинком или цинковыми сплавами при сохранении высоких механических свойств.

Поэтому первым объектом изобретения является сталь с очень высокой механической прочностью, химический состав которой включает в себя, мас.%:

0,060≤С≤0,250,

0,400≤Mn≤0,950,

Si≤0,300,

Cr≤0,300,

0,100≤Mo≤0,500,

0,020≤Al≤0,100,

Р≤0,100,

В≤0,010,

Ti≤0,050,

остальное - железо и примеси, образовавшиеся при выплавке.

Согласно предпочтительному варианту выполнения сталь содержит, мас.%:

0,080≤C≤0,120

0,800≤Mn≤0,950

Si≤0,300

Cr≤0,300

0,100≤Mo≤0,300

0,020≤Al≤0,100

P≤0,100

В≤0,010

Ti≤0,050

остальное - железо и примеси, образовавшиеся при выплавке.

Этот вариант выполнения позволяет получать стальной лист, предел прочности при растяжении которого составляет порядка 450 МПа.

В другом предпочтительном варианте выполнения стал содержит, мас.%:

0,080≤С≤0,120

0,800≤Mn≤0,950

Si≤0,300

Cr≤0,300

0,150≤Mo≤0,350

0,020≤Al≤0,100

Р≤0,100

В≤0,010

Ti≤0,050

остальное - железо и примеси, образовавшиеся при выплавке. Этот вариант позволяет получать стальной лист с пределом прочности при растяжении порядка 500 МПа.

Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения сталь содержит, мас.%:

0,100≤С≤0,140

0,800≤Mn≤0,950

Si≤0,300

Cr≤0,300

0,200≤Мо≤0,400

0,020≤Al≤0,100

Р≤0,100

В≤0,010

Ti≤0,050

остальное - железо и примеси, образовавшиеся при выплавке. Этот вариант выполнения позволяет получать стальной лист с пределом прочности при растяжении около 600 МПа.

В другом предпочтительном варианте выполнения сталь содержит микростуктуру, состоящую из феррита и мартенсита.

Вторым объектом изобретения является стальной лист с очень высокой механической прочностью согласно изобретению, содержащий покрытие из цинка или цинкового сплава.

Третьим объектом изобретения является способ получения стального листа согласно изобретению с покрытием из цинка или цинкового сплава, включающий в себя следующие этапы:

- отливка листового слитка с химическим составом согласно изобретению, горячая и холодная прокатка слитка для получения листа,

- нагрев листа со скоростью 2-100°С/с до температуры выдержки 700-900°С,

- охлаждение листа со скоростью 2-100°С/с до температуры, близкой к температуре ванны жидкого цинка или цинкового сплава,

- нанесение на лист из цинк или цинкового сплава погружением в расплав и охлаждение до температуры окружающей среды при скорости 2-100°С/с.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения лист выдерживают при температуре выдержки в течение 10-1000 секунд.

Согласно еще одному варианту выполнения ванна жидкого цинка или цинкового сплава поддерживается при температуре 450-480°С, при этом время погружения листа составляет 2-400 секунд.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения ванна содержит главным образом цинк.

Четвертым объектом изобретения является применение листа с очень высокой механической прочностью с покрытием из цинка или цинкового сплава в производстве автомобильных частей.

Настоящее изобретение основано на установлении нового факта, заключающегося в том, что, ограничивая содержание марганца, кремния и хрома максимальными заявленными величинами, можно получать марки сталей с превосходной способностью к нанесению покрытий. В зависимости от требуемого уровня механических свойств задается содержание закалочных элементов, таких как углерод и молибден, в отношении которых установлено, что они не снижают способности к нанесению покрытия.

С этой целью можно применять, например, классическую формулу для выведения десятичного логарифма критической скорости закалки V (°С/с):

Log(V)=4,5-2,7% Сγ - 0,95% Mn - 0,18% Si - 0,38% Cr - 1,17% Mo - 1.29 (%С×%Cr) - 0,33 (%Cr×%Мо),

где Сγ - содержание углерода в аустените перед началом охлаждения.

В состав стали согласно изобретению входит углерод в количестве 0,060-0,250 мас.%, так как было подмечено, что при содержании углерода менее 0,060 мас.% данная марка стали не подвергается закалке и не позволяет более получать требуемые высокие механические свойства. При содержании углерода свыше 0,250 мас.% резко снижается свариваемость стали.

В состав стали входит также марганец в количестве от 0,400 до 0,950 мас.%. Аналогично углероду здесь также необходимо обеспечить нижний предел для получения закаливаемой марки стали, при этом должен соблюдаться верхний предел для обеспечения высокой способности к нанесению покрытия.

В состав стали входит также кремний в количестве до 0,300 мас.%. Необходимо соблюдать верхний предел для обеспечения высокой способности стали к нанесению покрытия.

Кроме того, в состав стали входит хром в количестве до 0,300 мас.%. Необходимо соблюдать верхний предел для обеспечения высокой способности к нанесению покрытия.

Наконец, в состав стали согласно изобретению должен входить молибден в количестве от 0,100 до 0,500 мас.%, так как отмечено, что при его содержании в количестве менее 0,100 мас.% марка стали не позволяет более получать требуемые высокие механические свойства. При содержании свыше 0,500 мас.% молибден резко снижает свариваемость стали.

Также в состав стали может входить по желанию бор в количестве до 0,010 мас.%, который можно защитить при необходимости титаном при его содержании не более 0,050 мас.%. Поскольку последний обладает большим сродством к азоту, чем бор, то он его улавливает путем образования нитридов титана.

В состав стали могут также входить разные неизбежные остаточные элементы, из которых можно указать на N, Nb, Cu, Ni, W, V.

Предпочтительно, в частности, ограничить содержание азота, который способен вызвать чувствительность стали к старению.

Благодаря повышенной способности к цинкованию сталь согласно изобретению находит применение, в частности, в области производства автомобильных деталей, а именно в производстве наружных деталей, таких как кузовные элементы, имеющие более привлекательный внешний вид после окраски в противоположность деталям, которые до настоящего времени изготавливали из известных из уровня техники сталей.

Ниже изобретение поясняется с помощью результатов наблюдений и не ограничивающих примеров, при этом в таблице 1 приводится химический состав тестированных сталей, в 10^-3 мас.%:

Таблица 1
	С	Mn	Si	Cr	Mo	Al	В	Ti	N	P	S	Cu	Ni	V
А	59	1195	121	491	-	38	-	-	5,4	11	2	6	23	-
В	83	1546	361	204	-	24	-	-	5,1	15	2	8	22	-
С*	95	906	12	15	102	33	-	-	2,3	25	4	9	20	-
D*	93	909	10	15	205	33	-	-	2,3	25	4	9	23	3
Е*	85	900	11	14	305	35	-	-	2,6	25	4	9	25	3
F*	90	900	11	15	306	33	1	27	2,5	25	4	9	25	4
* согласно изобретению.

Эти разные составы были получены в виде слитков весом 15 кг. Затем слитки нагревали до 1250°С в течение 45 минут и прокатывали в горячем виде за 7 проходов, причем температура в конце прокатки составляла 900°С.

Полученные при этом листы охлаждали закалкой в воду с замедлителем со скоростью порядка 25°С/с, после этого наматывали в рулоны при температуре 550°С перед последующим охлаждением.

Затем их подвергали холодной прокатке с обжатием 70% перед началом следующего цикла термообработки:

- нагрев со скоростью порядка 30°С/с до температуры выдержки в диапазоне 770-810°С в течение 50-80 секунд для имитации линейной скорости от 80 до 150 м/мин.;

- охлаждение листа со скоростью порядка 10°С/с до температуры 470°С.

После этого листы цинковали погружением в ванну жидкого цинка, при этом время нахождения в ванне определялось выбранной линейной скоростью (80-150 м/мин), затем охлаждали до температуры окружающей среды со скоростью 5°С/с.

После этого для каждого листа измеряли следующие механические свойства:

- Rm: предел прочности при растяжении, МПа,

- Rel: предел упругости, МПа,

- А: относительное удлинение при разрыве, %,

- Ag: распределенное относительное удлинение, %,

- Р: плато, %,

а также содержание мартенсита в листах (% М).

Опыт 1. Влияние содержания молибдена и присутствия бора

Такое влияние определяли для стали марок А-F при температуре выдержки 790°С и линейной скорости 120 м/мин.

	Rm	Rel	А	Ag	Р	% М
А	480	375	28,2	18,8	2,3	1
В	540	360	28,3	17,6	-	3
с*	466	380	28,8	19,9	4,6	1
D*	526	324	29,0	18,8	0,6	4
Е*	563	282	26,6	17,9	0	7
F*	673	393	15,2	11,8	0	6
* согласно изобретению.

В отношении марок стали согласно изобретению было установлено, что с увеличением содержания молибдена возрастает и содержание мартенсита, что позволяет увеличить предел прочности при растяжении и снизить предел упругости.

Напротив, добавка бора ведет не к увеличению содержания мартенсита, а скорее к измельчению мартенсита и углеродных фаз.

Опыт 2. Влияние термообработки

Это влияние исследовали для марки D при трех линейных скоростях и трех температурах выдержки (м/мин):

	Температура выдержки	Линейная скорость	Rm	A	%M
Марка D	770	80	502	29,4	1
		120	528	27,6	4
	150	534	27,3	6
	790	80	500	26,2	2
		120	526	29,0	4
	150	530	28,6	6
	810	80	505	29,9	3
		120	521	25,8	4
150	530	26,4	6

Было установлено, что температура выдержки и линейная скорость оказывают незначительное влияние на получаемые механические свойства. Это представляет большой интерес в отношении промышленного применения, при котором должна отсутствовать чувствительность при таких изменениях.

Затем такое влияние исследовали и для марки стали F

	Температура выдержки	Линейная скорость	Rm	А	%M
Марка F	770	80	692	18,6	6
		120	687	15,3	6
	150	715	13,7	6
	790	80	664	17,3	6
		120	673	15,2	6
	150	688	16,6	6
	810	80	634	15,9	6
		120	654	16,0	6
150	666	17,7	6

Было установлено, что добавка бора в марку стали согласно изобретению превосходно стабилизирует содержание образовавшегося мартенсита, которое абсолютно не изменяется независимо от параметров термообработки.

Опыт 3. Способность к цинкованию

Проводили горячее цинкование погружением листов из стали марок А, В, С и F при регулировании точки росы, равной -40°С. Листы из стали марок А и В характеризовались несплошностью покрытия, напротив листы из марок С и F имели сплошные покрытия.

1. Сталь с очень высокой механической прочностью для использования в автомобильной промышленности, отличающаяся тем, что ее химический состав включает следующие компоненты, мас.%: 0,080≤С≤0,120; 0,800≤Mn≤0,950; Si≤0,300; Cr≤0,300; 0,150≤Mo≤0,350; 0,020≤Al≤0,100; Р≤0,100; В≤0,010; Ti≤0,050; остальное железо и примеси, образовавшиеся при выплавке, при этом микроструктура образована ферритом и мартенситом.

2. Стальной лист с очень высокой механической прочностью из стали по п.1, имеющий покрытие из цинка или цинкового сплава.

3. Способ получения стального листа по п.2, включающий в себя следующие этапы:

отливка листового слитка, имеющего состав стали по п.1, горячая и холодная прокатки слитка для получения листа, нагрев листа со скоростью 2-100°С/с до температуры выдержки 700-900°С, охлаждение листа со скоростью 2-100°С/с до температуры, близкой к температуре ванны жидкого цинка или цинкового сплава, нанесение на лист покрытия из цинка или цинкового сплава погружением в указанную ванну и охлаждение до температуры окружающей среды со скоростью 2-100°С/с.

4. Способ по п.4, отличающийся тем, что лист поддерживают при указанной температуре выдержки в течение 10-1000 с.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что ванну жидкого цинка или цинкового сплава поддерживают при температуре 450-480°С, и что время погружения листа составляет 2-400 с.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что жидкая ванна содержит преимущественно цинк.

7. Применение стального листа по п.2 с очень высокой механической прочностью из стали по п.1 в производстве автомобильных деталей.