Способ изготовления листовой стали с покрытием

Группа изобретений относится к черной металлургии и включает способ изготовления листовой стали с нанесенным покрытием, листовую сталь с покрытием и сварное соединение. Может использоваться при изготовлении механических транспортных средств. Листовую сталь с предварительно нанесенным первым покрытием, содержащим железо и никель, подвергают термической обработке при температуре в диапазоне между 600 и 1000°С и наносят второе покрытие на цинковой основе. Контактной точечной сваркой по меньшей мере двух листовых сталей получают сварное соединение, содержащее менее чем 3 трещины, имеющие размер, составляющий более 100 мкм, причем трещина наибольшая имеет длину менее 500 мкм. Обеспечивается предотвращение жидко-металлического охрупчивания при сварке и повышение адгезии покрытия. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 пр.

 

Настоящее изобретение относится к способу изготовления листовой стали с нанесенным покрытием. Изобретение, в частности, является хорошо подходящим для использования при изготовлении механических транспортных средств.

Покрытия на цинковой основе в общем случае используют потому, что они делают возможной защиту от коррозии благодаря наличию барьерной защиты и катодной защиты. Барьерный эффект получают в результате нанесения металлического покрытия на поверхность стали. Таким образом, металлическое покрытие предотвращает возникновение контакта между сталью и коррозионно-активной атмосферой. Барьерный эффект не зависит от природы покрытия и подложки. Наоборот, жертвенная катодная защита имеет в своей основе тот факт, что цинк представляет собой металл, менее благородный в сопоставлении со сталью. Таким образом, в случае возникновения корродирования предпочтительно будет расходоваться цинк в сопоставлении со сталью. Катодная защита является существенной в областях, в которых сталь непосредственно подвергается воздействию коррозионно-активной атмосферы, подобных обрезанным кромкам, где окружающий цинк будет расходоваться прежде стали.

Однако, в случае проведения стадий нагревания в отношении таких листовых сталей с нанесенным покрытием из цинка, например, во время закалки под горячим прессом или сварки, в стали будут наблюдаться трещины, которые инициируются от поверхности раздела сталь/покрытие. Действительно, время от времени имеет место ухудшение механических свойств металла вследствие присутствия трещин в листовой стали с нанесенным покрытием после проведения вышеупомянутой операции. Данные трещины возникают в следующих далее условиях: высокая температура; наличие контакта с жидким металлом, характеризующимся низкой температурой плавления, (таким как цинк) в дополнение к присутствию напряжения при растяжении; гетерогенное диффундирование расплавленного металла в зерно подложки и межзеренные границы. Обозначение такого явления известно при использовании термина «жидко-металлическое охрупчивание» (ЖМО), что также называется при использовании термина «жидко-металлическое растрескивание» (ЖМР).

В патентной заявке US2012100391 раскрывается способ изготовления листовой стали, гальванизированной в результате погружения в расплав и характеризующейся превосходными качествами металлизации, адгезией при металлизации и свариваемостью при использовании контактной точечной сварки, при этом способ включает:

- нанесение на листовую сталь основы покрытия из Ni при степени нанесения покрытия (C_Ni) в диапазоне 0,1 – 1,0 г/м²;

- нагревание листовой стали с нанесенным покрытием из Ni в восстановительной атмосфере;

- охлаждение нагретой листовой стали до температуры (X_S), при которой листовую сталь подают в гальваническую ванну; и

- подачу и погружение охлажденной листовой стали в гальваническую ванну, характеризующуюся эффективной концентрацией Al (C_Al) в диапазоне 0,11 – 0,14 % (масс.) и температурой (Т_Р) в диапазоне 440 – 460°С, где температура (X_S), при которой листовую сталь подают в гальваническую ванну, удовлетворяет следующему далее соотношению: C_Ni ⋅ (X_S – T_P)/2C_Al = 5 – 100.

В ней также раскрывается листовая сталь, гальванизированная в результате погружения в расплав, где фаза расплава является фазой расплава Fe – Zn, составляющей 1 – 20 % от площади поперечного сечения слоя гальванизации.

Однако, в представленном выше способе гальванизацию проводили в ванне, содержащей от 0,11 до 0,14 % (масс.) Al, и, таким образом, слой ингибирования являлся очень непрочным, и формировались интерметаллические фазы Fe – Zn. В промышленном масштабе данный способ является непростым в применении, поскольку свариваемость при использовании контактной точечной сварки зависит от контролируемого выдерживания параметров, в том числе количества Ni в покрытии, концентрации Al в гальванической ванне и разницы между температурой гальванической ванны и температурой, при которую листовую сталь подают в гальваническую ванну. Помимо этого, реализуемую свариваемость при использовании контактной точечной сварки оценивают на основании срока службы сварочного электрода, то есть, количества точек непрерывной сварки во время измерения достигаемого диаметра ядра сварной точки 4√t (t: толщина листовой стали). Отсутствует какое-либо упоминание об уменьшении присутствия трещин в листовой стали с нанесенным покрытием после контактной точечной сварки.

Таким образом, цель изобретения заключается в предложении листовой стали с нанесенным металлическим покрытием, которой не свойственны проблемы, связанные с охрупчиванием ЖМО. Оно направлено на обеспечение наличия, в частности, простого в воплощении способа в целях получения детали, которой не свойственны проблемы, связанные с охрупчиванием ЖМО, после формовки и/или сварки.

Достижения данной задачи добиваются в результате предложения способа, соответствующего пункту 1 формулы изобретения. Способ также может включать любые характеристики из пунктов от 2 до 18 формулы изобретения.

Достижения еще одной задачи добиваются в результате предложения листовой стали, соответствующей пункту 19 формулы изобретения. Листовая сталь также может включать любые характеристики из пунктов от 20 до 25 формулы изобретения.

Достижения еще одной задачи добиваются в результате предложения сварного соединения, полученного контактной точечной сваркой, и соответствующего пункту 26 формулы изобретения. Сварное соединение, полученное контактной точечной сваркой, также может включать характеристики из пунктов от 27 до 29 формулы изобретения.

В заключение, достижения еще одной задачи добиваются в результате предложения использования листовой стали или сборной конструкции, соответствующего пункту 30 формулы изобретения.

Другие характеристики и преимущества изобретения станут очевидными после ознакомления со следующим далее подробным описанием изобретения.

Обозначения «сталь» или «листовая сталь» имеют в виду листовую сталь, рулон, пластину, характеризующиеся композицией, делающей возможным достижение деталью предела прочности при растяжении, доходящего вплоть до 2500 МПа, а более предпочтительно вплоть до 2000 МПа. Например, предел прочности при растяжении является большим или равным 500 МПа, предпочтительно большим или равным 980 МПа, в выгодном случае большим или равным 1180 МПа и даже большим или равным 1470 МПа.

Изобретение относится к способу изготовления листовой стали с нанесенным покрытием, включающему следующие далее стадии:

А. снабжение покрытия листовой стали с нанесенным предварительным покрытием первым покрытием, содержащим железо и никель,

В. термическая обработка такой листовой стали с нанесенным предварительным покрытием при температуре в диапазоне между 600 и 1000°С,

С. нанесение на листовую сталь, полученную на стадии В), второго покрытия на цинковой основе.

Как это представляется без желания связывать себя какой-либо теорией, существенным признаком настоящего изобретения является осаждение на листовую сталь первого покрытия из железа и никеля до проведения термической обработки, поскольку во время термической обработки, с одной стороны, Ni диффундирует в направлении листовой стали, делая возможным получение слоя сплава Fe – Ni. С другой стороны, некоторое количество Ni все еще присутствует на поверхности раздела между сталью и покрытием, что предотвращает проникновение жидкого цинка в сталь во время любых стадий нагревания, представляющих собой, например, сварку. Таким образом, в результате использования способа, соответствующего настоящему изобретению, возможным является получение барьерного слоя для охрупчивания ЖМО.

Первое покрытие, содержащее железо и никель, осаждают при использовании любого способа осаждения, известного для специалистов в соответствующей области техники. Оно может быть осаждено при использовании способа вакуумного осаждения или электролитического осаждения. Предпочтительно его осаждают при использовании способа электролитического осаждения.

Предпочтительно на стадии А) первое покрытие содержит от 10 % до 75 %, более предпочтительно от 25 до 65 %, а в выгодном случае от 40 до 60 %, (масс.) железа.

Предпочтительно на стадии А) первое покрытие содержит от 25 до 90 %, более предпочтительно от 35 до 75 %, а в выгодном случае от 40 до 60 %, (масс.) никеля.

В одном предпочтительном варианте осуществления на стадии А) первое покрытие состоит из железа и никеля.

Предпочтительно на стадии А) первое покрытие имеет толщину, равную или большую 0,5 мкм. Более предпочтительно первое покрытие имеет толщину в диапазоне между 0,8 и 5,0 мкм, а в выгодном случае между 1,0 и 2,0 мкм.

Предпочтительно на стадии А) композиция листовой стали содержит при расчете на массу:

0,10 < C < 0,40 %,

1,5 < Mn < 3,0 %,

0,7 < Si < 2,0 %,

0,05 < Al < 1,0 %,

0,75 < (Si + Al) < 3,0 %

и исключительно необязательным образом один или несколько элементов, таких как

Nb ≤ 0,5 %,

B ≤ 0,005 %,

Cr ≤ 1,0 %,

Mo ≤ 0,50 %,

Ni ≤ 1,0 %,

Ti ≤ 0,5 %,

при этом остаток композиции составляют железо и неизбежные примеси, получающиеся в результате разработки.

Предпочтительно на стадии В) термическая обработка представляет собой непрерывный отжиг. Например, непрерывный отжиг включает нагревание, томление и стадию охлаждения. Он, кроме того, может включать стадию предварительного нагревания.

В выгодном случае термическую обработку проводят в атмосфере, содержащей от 1 до 30 % Н₂, при температуре точки росы в диапазоне между -10 и -60°С. Например, атмосфера содержит от 1 до 10 % Н₂ при температуре точки росы от -40°C до -60°С.

В выгодном случае на стадии С) второй слой содержит более, чем 50 %, более предпочтительно более, чем 75 %, а в выгодном случае более, чем 90 %, цинка. Второй слой может быть осажден при использовании любого способа осаждения, известного для специалистов в соответствующей области техники. Это может быть осуществлено в результате нанесения покрытия при погружении в расплав, в результате вакуумного осаждения или в результате электрогальванизации.

Например, покрытие на цинковой основе содержит от 0,01 до 8,0 % Al, необязательно 0,2 – 8,0 % Mg, при этом остаток представляет собой Zn.

Предпочтительно покрытие на цинковой основе осаждают в результате гальванизации при погружении в расплав. В данном варианте осуществления ванна расплава также может содержать неизбежные примеси и остаточные элементы от подающихся слитков или от прохождения листовой стали в ванне расплава. Например, необязательно примеси выбирают из Sr, Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr, Zr или Bi, при этом уровень массового содержания каждого дополнительного элемента уступает 0,3 % (масс.). Остаточные элементы от подающихся слитков или от прохождения листовой стали в ванне расплава могут представлять собой железо при уровне содержания, доходящем вплоть до 5,0 %, предпочтительно 3,0 %, (масс.).

В одном предпочтительном варианте осуществления второй слой состоит из цинка. В случае осаждения покрытия в результате гальванизации при погружении в расплав уровень процентного содержания Al в ванне будет находиться в диапазоне между 0,15 и 0,40 % (масс.). Помимо этого, железо, присутствующее в первом покрытии, водят в реакцию с алюминием в целях формирования слоя ингибирования Fe₂Al₅ и, таким образом, обеспечения получения характеристик реакционного смачивания во время гальванизации при погружении в расплав.

При использовании способа, соответствующего настоящему изобретению, получают листовую сталь с нанесенным покрытием, включающую диффузионный слой сплава, содержащий железо и никель, при этом такой слой непосредственно перекрывают поверх слоем на цинковой основе. Как это представляется, диффузионный слой сплава исполняет функцию, подобную функции барьерного слоя по отношению к охрупчиванию ЖМО, и улучшает адгезию покрытия.

Предпочтительно листовая сталь обладает микроструктурой, включающей от 1 до 50 % остаточного аустенита, от 1 до 60 % мартенсита и необязательно по меньшей мере один элемент, выбираемый из: бейнита, феррита, цементита и перлита. В данном случае мартенсит может быть отпущенным или неотпущенным.

В одном предпочтительном варианте осуществления листовая сталь обладает микроструктурой, включающей от 5 до 25 % остаточного аустенита.

Предпочтительно листовая сталь обладает микроструктурой, включающей от 1 до 60 %, а более предпочтительно от 10 до 60 %, отпущенного мартенсита.

В выгодном случае листовая сталь обладает микроструктурой, включающей от 10 до 40 % бейнита, при этом такой бейнит включает от 10 до 20 % нижнего бейнита, от 0 до 15 % верхнего бейнита и от 0 до 5 % бескарбидного бейнита.

Предпочтительно листовая сталь обладает микроструктурой, включающей от 1 до 25 % феррита.

Предпочтительно листовая сталь обладает микроструктурой, включающей от 1 до 15 % неотпущенного мартенсита.

После изготовления листовой стали в целях производства некоторых деталей транспортного средства, как это известно, проводят сборку при использовании сварки двух листовых металлов. Таким образом, во время сварки по меньшей мере двух листовых металлов получают сварное соединение, полученное контактной точечной сваркой, при этом упомянутое место представляет собой соединительный элемент между по меньшей мере двумя листовыми металлами.

Для производства сварного соединения, полученного контактной точечной сваркой, и соответствующего изобретению, сварку проводят при использовании эффективной интенсивности в диапазоне между 3 кА и 15 кА, а усилие, приложенное к электродам, находится в диапазоне между 150 и 850 даН, при этом диаметр активной лицевой поверхности упомянутого электрода находится в диапазоне между 4 и 10 мм.

Таким образом, получают сварное соединение, полученное контактной точечной сваркой по меньшей мере двух листовых металлов, включающих листовую сталь с нанесенным покрытием, соответствующую настоящему изобретению, при этом упомянутое сварное соединение включает менее, чем 3 трещины, имеющие размер, составляющий более, чем 100 мкм, и где наибольшая трещина имеет длину, составляющую менее, чем 500 мкм.

Предпочтительно второй листовой металл представляет собой листовую сталь или листовой алюминий. Более предпочтительно второй листовой металл представляет собой листовую сталь, соответствующую настоящему изобретению.

В еще одном варианте осуществления сварное соединение, полученное контактной точечной сваркой, включает третий листовой металл, представляющий собой листовую сталь или листовой алюминий. Например, третий листовой металл представляет собой листовую сталь, соответствующую настоящему изобретению.

Листовая сталь или сварное соединение, полученное контактной точечной сваркой, соответствующие настоящему изобретению, могут быть использованы при изготовлении деталей для механического транспортного средства.

Теперь изобретение будет разъяснено в экспериментах, проводимых только для предоставления информации. Они не являются ограничивающими.

Пример

Для всех примеров использованные листовые стали характеризуются следующей далее композицией при выражении в массовых процентах: С = 0,37 %, Mn = 1,9 % (масс.), Si = 1,9 % (масс.), Cr = 0,35 % (масс.), Al = 0,05 % (масс.) и Мо = 0,1 % (масс.).

Эксперименты 1 и 2 получали в результате осаждения первого покрытия, содержащего 45 % Fe, при этом остаток представляет собой Ni. После этого проводили непрерывный отжиг в атмосфере, содержащей 5 % Н₂ и 95 % N₂, при температуре точки росы -45°С. Листовую сталь с нанесенным предварительным покрытием нагревали при температуре 900°С. В заключение, осаждали цинковое покрытие в результате гальванизации при погружении в расплав, при этом цинковая ванна содержит 0,2 % Al. Температура ванны составляла 460°С.

В целях сопоставления получали эксперимент 3 в результате осаждения цинкового покрытия при использовании электрогальванизации после непрерывного отжига вышеупомянутой листовой стали.

Оценивали стойкость к охрупчиванию ЖМО для экспериментов от 1 до 3. С данной целью для каждого эксперимента две листовые стали с нанесенным покрытием сваривали друг с другом при использовании контактной точечной сварки сопротивлением. Тип электрода представлял собой продукт ISO Type B при диаметре 16 мм; усилие для электрода составляло 5 кН, а расход воды составлял 1,5 г/мин. Сварочный цикл был представлен в таблице 1.

Таблица 1. Технологический режим сварки

Время сварки	Импульсы	Импульс (цикл)	Время охлаждения (цикл)	Время выдержки (цикл)
Цикл	2	12	2	10

После этого оценивали количество трещин, больших, чем 100 мкм, при использовании оптического микроскопии, а также метода СЭМ (сканирующей электронной микроскопии) в соответствии с представлением в таблице 2.

Таблица 2. Подробности растрескивания ЖМО после контактной точечной сварки (состояние с укладкой в стопку 2 слоев)

Эксперименты	1-ое покрытие	Толщина (мкм)	2-ое покрытие	Толщина (мкм)	Количество трещин (> 100 мкм) при расчете на один шов контактной точечной сварки	Максимальная длина трещины (мкм)
Эксперимент 1 *	Fe – (55 %) Ni	1	Zn (GI)	7	0	0
Эксперимент 2 *	Fe – (55 %) Ni	2	Zn (GI)	7	0	0
Эксперимент 3	-	-	Zn (EG)	7	3	760

*: в соответствии с настоящим изобретением.

Эксперименты, соответствующие настоящему изобретению, демонстрируют превосходную стойкость к охрупчиванию ЖМО в сопоставлении с экспериментом 3.

Вслед за этим для каждого эксперимента три листовых стали с нанесенным покрытием сваривали друг с другом при использовании контактной точечной сварки сопротивлением в конфигурации с укладкой в стопку трех слоев. После этого оценивали количество трещин, больших, чем 100 мкм, при использовании оптического микроскопии, а также метода СЭМ (сканирующей электронной микроскопии) в соответствии с представлением в таблице 3.

Таблица 3. Подробности растрескивания ЖМО после контактной точечной сварки (состояние с укладкой в стопку 3 слоев)

Эксперименты	Количество трещин (> 100 мкм) при расчете на один шов контактной точечной сварки	Максимальная длина трещины (мкм)
Эксперимент 1 *	1	250
Эксперимент 2 *	1	450
Эксперимент 3	7	850

*: в соответствии с настоящим изобретением.

Эксперименты, соответствующие настоящему изобретению, демонстрируют превосходную стойкость к охрупчиванию ЖМО в сопоставлении с экспериментом 3.

В заключение, в экспериментах 1 и 2 проводили изгибание при соблюдении угла в 90°. После этого наносили и отслаивали клейкую ленту для подтверждения наличия адгезии покрытия по отношению к стальной подложке. Адгезия покрытия в данных экспериментах была превосходной.

1. Способ изготовления листовой стали с покрытием, включающий следующие далее стадии:

А. обеспечение наличия листовой стали с предварительно нанесенным первым покрытием, содержащим железо и никель,

В. термическая обработка указанной листовой стали с нанесенным предварительным покрытием при температуре в диапазоне между 600 и 1000°С,

С. нанесение на листовую сталь, полученную на стадии В), второго покрытия на цинковой основе.

2. Способ по п. 1, в котором на стадии А) первое покрытие содержит от 10 до 75 мас. % железа.

3. Способ по п. 2, в котором на стадии А) первое покрытие содержит от 25 до 65 мас. % железа.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором на стадии А) первое покрытие содержит от 40 до 60 мас. % железа.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором на стадии А) первое покрытие содержит от 25 до 90 мас. % никеля.

6. Способ по п. 5, в котором на стадии А) первое покрытие содержит от 35 до 75 мас. % никеля.

7. Способ по п. 6, в котором на стадии А) первое покрытие содержит от 40 до 60 мас. % никеля.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором на стадии А) первое покрытие состоит из железа и никеля.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором на стадии А) первое покрытие имеет толщину, равную или большую 0,5 мкм.

10. Способ по п. 9, в котором на стадии А) первое покрытие имеет толщину в диапазоне между 0,8 и 5,0 мкм.

11. Способ по п. 10, в котором на стадии А) первое покрытие имеет толщину в диапазоне между 1,0 и 2,0 мкм.

12. Способ по любому из пп. 1-11, в котором на стадии А) состав листовой стали содержит, мас. %:

0,10 < C < 0,40,

1,5 < Mn < 3,0,

0,7 < Si < 2,0,

0,05 < Al < 1,0,

0,75 < (Si + Al) < 3,0

и необязательно один или несколько элементов, таких как

Nb ≤ 0,5,

B ≤ 0,005,

Cr ≤ 1,0,

Mo ≤ 0,50,

Ni ≤ 1,0,

Ti ≤ 0,5,

остальное – железо и неизбежные примеси.

13. Способ по любому из пп. 1-12, в котором на стадии С) второй слой содержит более чем 50 % цинка.

14. Способ по п. 13, в котором на стадии С) второй слой содержит более чем 75 % цинка.

15. Способ по п. 14, в котором на стадии С) второй слой содержит более чем 90 % цинка.

16. Способ по п. 15, в котором на стадии С) второй слой состоит из цинка.

17. Способ по любому из пп. 1-16, в котором на стадии В) термическая обработка представляет собой непрерывный отжиг.

18. Способ по любому из пп. 1-17, в котором на стадии В) термическую обработку проводят в атмосфере, содержащей от 1 до 30 % Н₂, при температуре точки росы в диапазоне от -10 до -60°С.

19. Листовая сталь с покрытием, изготовленная способом по любому из пп. 1-18, содержащая на поверхности стали первый диффузионный слой покрытия из сплава, содержащего железо и никель, и второй слой покрытия на цинковой основе, нанесенный на первый слой.

20. Листовая сталь по п. 19, в которой микроструктура стали содержит от 1 до 50 % остаточного аустенита, от 1 до 60 % мартенсита и необязательно по меньшей мере одну микроструктуру, выбранную из: бейнита, феррита, цементита и перлита.

21. Листовая сталь по п. 20, в которой микроструктура содержит от 5 до 25 % остаточного аустенита.

22. Листовая сталь по п. 20 или 21, в которой микроструктура содержит от 1 до 60 % отпущенного мартенсита.

23. Листовая сталь по любому из пп. 20-22, в которой микроструктура содержит от 10 до 40 % бейнита.

24. Листовая сталь по любому из пп. 20-23, в которой микроструктура содержит от 1 до 25 % феррита.

25. Листовая сталь по любому из пп. 20-24, в которой микроструктура содержит от 1 до 15 % неотпущенного мартенсита.

26. Сварное соединение, полученное контактной точечной сваркой по меньшей мере двух листовых металлов, содержащих по меньшей мере листовую сталь по любому из пп. 19-25 или по меньшей мере листовую сталь, полученную способом по любому из пп. 1-18, при этом сварное соединение содержит менее чем 3 трещины, имеющие размер, составляющий более чем 100 мкм, причем наибольшая трещина имеет длину, составляющую менее чем 500 мкм.

27. Сварное соединение по п. 26, в котором второй листовой металл представляет собой листовую сталь или листовой алюминий.

28. Сварное соединение по п. 27, в котором второй листовой металл представляет собой листовую сталь по любому из пп. 19-25 или листовую сталь, полученную способом по любому из пп. 1-18.

29. Сварное соединение по любому из пп. 26-28, содержащее третий листовой металл, представляющий собой листовую сталь или листовой алюминий.