(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2012/18 EP B1 (13) (51) T3 Int.Cl. C21D 1/18 ( ) C21D 6/00 ( ) C21D 7/13 ( ) C21D 8/02 ( ) C21D 8/04 ( ) C21D 9/48 ( ) C22C 38/02 ( ) C22C 38/04 ( ) C22C 38/06 ( ) C22C 38/12 ( ) C22C 38/14 ( ) C23C 2/06 ( ) C23C 2/12 ( ) C23F 17/00 (54) Tytuł wynalazku: Stal do obróbki na gorąco lub hartowania w tłoczniku, o ulepszonej ciągliwości (30) Pierwszeństwo: WO PCT/FR2007/ (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2009/53 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 2012/10 (73) Uprawniony z patentu: ArcelorMittal France, Saint Denis, FR (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 JEAN-PIERRE LAURENT, Istres, FR THIERRY MALOT, Arles, FR (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Grażyna Palka JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY BIURO PATENTÓW I ZNAKÓW TOWAROWYCH ul. Żurawia 47/ Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 14396/12/P-RO/GP/KM EP Opis Stal do obróbki na gorąco lub hartowania w tłoczniku, o ulepszonej ciągliwości [0001] Wynalazek dotyczy wytwarzania elementów ze stali walcowanej na gorąco lub na zimno, która po obróbce na gorąco lub hartowaniu w tłoczniku ma szczególnie korzystne i jednolite właściwości dotyczące wytrzymałości, wydłużenia i odporności na korozję. [0002] W przypadku niektórych zastosowań podejmowane są próby wykonania elementów ze stali łączącej w sobie cechy wytrzymałości mechanicznej, odporności na uderzenia i odporności na korozję. Takie połączenie jest szczególnie pożądane w przemyśle samochodowym, gdzie dąży się do znacznego zmniejszenia ciężaru pojazdów. Można to uzyskać przede wszystkim dzięki zastosowaniu elementów ze stali o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych z mikrostrukturą martenzytyczną lub bainitycznomartenzytyczną: elementy przeciwwłamaniowe, konstrukcyjne lub istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa pojazdów mechanicznych, takie jak belka poprzeczna zderzaka, wzmocnienie drzwi i słupka międzydrzwiowego, muszą koniecznie posiadać wymienione wyżej cechy. [0003] Opis patentowy FR przedstawia blachę stalową, powlekaną aluminium, mającą bardzo dużą wytrzymałość po obróbce cieplnej, która obejmuje nagrzewanie od Ac3 do 1200 C, następnie obróbkę na gorąco w tłoczniku. Obecne w składzie stali pierwiastki są następujące: C: 0,15-0,5%, Mn: 0,5%-3%, Si: 0,1%-0,5%, Cr: 0,01-1%, Ti<0,2%, Al, P<0,1%, S<0,05%, B: 0,0005%-0,08%. Związek tworzący stop powstały wskutek dyfuzji wzajemnej powłoki wstępnej i stali podczas obróbki cieplnej stanowi ochronę przed odwęglaniem i korozją. [0004] W przykładzie wykonania, dzięki zastosowaniu stali zawierającej 0.231%C. 1,145%Mn, 0,239%Si, 0,043%Al, 0,020%P, 0,0038%S, 0,179%Cr, 0,009%Cu, 0,020%Ni, 0.032%Ti, 0,0042%N, 0,0051%Ca, 0,0028%B, możliwe jest uzyskanie podczas obróbki cieplnej wytrzymałości większej niż 1500 MPa, związanej ze strukturą całkowicie martenzytyczną. [0005] W przeciwieństwie do tego bardzo wysokiego poziomu wytrzymałości, wydłużenie względne po obróbce cieplnej jest stosunkowo słabe, rzędu 5%. Jednak w przypadku niektórych zastosowań konstrukcyjnych taki wysoki poziom wytrzymałości nie jest konieczny, natomiast wymagane jest wydłużenie względne większe niż 15%. W przypadku takich zastosowań wymagane jest również dobre zabezpieczenie elementów przed korozją. Propozycje blach stalowych dla przemysłu samochodowego są przedstawione w EP oraz EP W dokumentach EP , EP , FR oraz EP opisano obróbkę elementów lub płytek na gorąco w tłoczniku bez hartowania. Te zastosowania konstrukcyjne dotyczą elementów wzmacniających o grubości około 0,5 do 4 mm. Potrzebna jest stal, w przypadku której wytrzymałość i wydłużenie względne po obróbce

3 - 2 - cieplnej elementów są odpowiednio większe niż 500 MPa i 15%. Połączenie tych właściwości mechanicznych zapewnia w razie uderzenia zwiększoną energię absorpcyjną. Wymagania w zakresie wytrzymałości i wydłużenia powinny być spełnione, nawet jeżeli mamy do czynienia z różnymi szybkościami schładzania w tłoczniku w przypadku elementów o grubości 0,5 mm i w przypadku elementów o grubości około 0,4 mm. Dzięki temu nie trzeba by było zmieniać ustawień linii produkcyjnej, na której następuje nagrzewanie i schładzanie, gdy elementy o różnej grubości zawartej w powyższym zakresie są kolejno poddawane obróbce na linii. [0006] Ponadto wiadomo, że tłoczenie elementu na gorąco lub hartowanie w tłocznikach może powodować mniejsze lub większe odkształcenia miejscowe w niektórych obszarach. Kontakt między elementem a narzędziem może być mniej lub bardziej doskonały, tym bardziej, że szybkość schładzania nie w każdym miejscu będzie taka sama. Skutkiem tych lokalnych zmian w zakresie stopnia odkształcenia czy szybkości schładzania mogą być niejednorodna struktura i niejednorodne właściwości elementu po obróbce cieplnej. [0007] Obecny wynalazek ma na celu rozwiązanie przedstawionych powyżej problemów. Przede wszystkim ma na celu udostępnienie elementów ze stali walcowanej na gorąco lub na zimno, po obróbce na gorąco lub hartowaniu w tłoczniku, charakteryzujących się równocześnie wytrzymałością większą niż 500 MPa oraz wydłużeniem względnym większym niż 15% dla zakresu grubości około 0,5 do 4 mm. Wynalazek ma na celu również udostępnienie elementów mających doskonałą jednorodność struktury i właściwości mechanicznych, to znaczy takich, których wytrzymałość mechaniczna nie zmienia się w poszczególnych częściach elementu, nawet jeżeli stopień odkształcenia miejscowego lub miejscowa szybkość schładzania nie jest jednorodna podczas wytwarzania. [0008] Wynalazek ma na celu również udostępnienie elementów stalowych łatwych do spawania przy zastosowaniu najbardziej powszechnych sposobów wykonywania połączeń (spawanie oporowe, łukowe, LASER), przy czym spawanie może być wykonywane albo przed albo po obróbce na gorąco lub hartowaniu w tłoczniku. [0009] W związku z tym przedmiotem wynalazku jest element ze stali, której skład wagowy jest następujący: 0,040% C 0,100%, 0,80% Mn 2,00%, Si 0,30%, S 0,005%, P 0,030%, 0,010% Al 0,070%, 0,015% Nb 0,100%, 0,030% Ti 0,080%, N 0,009%, Cu 0,100%, Ni 0,100%, Cr 0,100%, Mo 0,100%, Ca 0,006%, a pozostałe składniki to żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia powstające podczas wytapiania, przy czym mikrostruktura stali zawiera ferryt równoosiowy w ilości co najmniej 75%, martenzyt w ilości równej lub większej niż 5% i równej lub mniejszej niż 20% oraz bainit w ilości równej lub mniejszej niż 10%. Przedmiotem wynalazku jest również element ze stali, mający powyższe właściwości, charakteryzujący się tym, że jego skład wagowy jest następujący: 0,050% C 0,080%, 1,20% Mn 1,70%, Si 0,070%, S 0,004%, P 0,020%, 0.020% Al 0,040%, 0,030% Nb 0,070%, 0,060% Ti 0,080%, N 0,009%, Cu 0,100%, Ni 0,100%, Cr 0,100%, Mo 0,100%. Ca 0,005%, a pozostałe składniki to żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia powstające podczas wytapiania.

4 - 3 - [0010] Według korzystnego wykonania średni wymiar ziarna ferrytycznego stali, z której wykonany jest element, jest mniejszy niż 6 mikrometrów. [0011] Według korzystnego wykonania element stalowy jest powleczony warstwą tworzącą stop na całej grubości tej warstwy. Ta warstwa tworząca stop powstaje po co najmniej jednej obróbce cieplnej, łączącej stal z powłoką wstępną, którą stanowi stop na bazie cynku lub aluminium. [0012] Według korzystnego wykonania wytrzymałość elementu stalowego jest równa lub większa niż 500 MPa, a jego wydłużenie względne jest większe niż 15%. Przedmiotem wynalazku jest również wyrób spawany, w którym co najmniej jedna z części to element mający którekolwiek z powyższych cech. Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania stalowego elementu powlekanego, obejmujący etapy, podczas których otrzymuje się blachę stalową, walcowaną na gorąco lub walcowaną na zimno, o powyższym składzie, następnie wykonuje się powłokę wstępną blachy, która to powłoka wstępna stanowi stop na bazie cynku lub aluminium. Blachę tnie się dla otrzymania płytki, następnie tę płytkę ewentualnie spawa się. Ewentualne odkształca się płytkę na zimno, następnie podgrzewa się ją do temperatury T R w piecu tak, że wytwarza się, przez połączenie stali z powłoką wstępną, warstwę połączoną z powierzchnią płytki, przy czym realizuje się połączenie w całej warstwie tak, że stal uzyskuje strukturę całkowicie austenityczną. Płytkę usuwa się z pieca, następnie ewentualnie odkształca się ją na gorąco dla otrzymania elementu, który schładza się w warunkach właściwych dla uzyskania właściwości mechanicznych przeznaczonych dla niej. [0013] Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania elementu, obejmujący etapy, podczas których otrzymuje się blachę stalową walcowaną na gorąco lub walcowaną na zimno, o składzie przedstawionym powyżej, następnie blachę tnie się dla otrzymania płytki. Płytkę tę ewentualnie spawa się, następnie ewentualne odkształca się płytkę na zimno. Podgrzewa się ją do temperatury T R w piecu dla uzyskania przez stal struktury całkowicie austenitycznej, następnie płytę usuwa się z pieca. Realizuje się ewentualne odkształcenie na gorąco dla otrzymania elementu, następnie schładza się go w warunkach właściwych dla uzyskania właściwości mechanicznych przeznaczonych dla niego, następnie wykonuje się ewentualnie powłokę elementu. [0014] Według korzystnego wykonania temperatura T R wynosi od 880 do 950 C, a czas wygrzewania t R w tej temperaturze wynosi od 3 do 10 minut. [0015] Według korzystnego wykonania średnia szybkość schładzania V R od temperatury T R do 400 C wynosi od 30 do 80 C/s. [0016] Średnia szybkość schładzania V R od temperatury T R do 400 C wynosi korzystnie od 35 do 60 C/s. [0017] Przedmiotem wynalazku jest również zastosowanie powyższego elementu lub wyrobu wytworzonego według jednego z opisanych powyżej sposobów wytwarzania elementów konstrukcji lub zabezpieczenia dla lądowych pojazdów silnikowych, w zakresie maszyn rolniczych lub budowy okrętów.

5 - 4 - [0018] Inne cechy i zalety wynalazku zostaną przedstawione w poniższym opisie zamieszczonym dla przykładu i sporządzonym w odniesieniu do następujących załączonych figur: Figura 1 przedstawia mikrostrukturę stali według wynalazku po obróbce cieplnej. Figura 2 przedstawia mikrostrukturę stali niezgodną z wynalazkiem po obróbce cieplnej. [0019] Jeżeli chodzi o skład chemiczny stali, węgiel ma duże znaczenie dla hartowności i wytrzymałości mechanicznej, uzyskiwanej po schładzaniu, które ma miejsce po obróbce austenitycznej. Poniżej 0,040% zawartości wagowej nie ma możliwości uzyskania wytrzymałości większej niż 500 MPa w każdych warunkach schładzania. Powyżej 0,100% zawartości występuje ryzyko powstania zbyt dużej proporcji martenzytu w warunkach najszybszego schładzania, na przykład wtedy, gdy elementy są przetrzymywane w schłodzonym tłoczniku. Wydłużenie względne może być wówczas mniejsze niż 15%. Przy zawartości węgla od 0,050 do 0,080% można uzyskać dużą stabilność w zakresie wytrzymałości i wydłużenia w zależności od warunków wytwarzania oraz bardzo dobrą spawalność podczas powszechnie stosowanych sposobów łączenia. - Poza rolą odtleniacza, mangan ma również duży wpływ na hartowność, zwłaszcza gdy jego zawartość wagowa jest mniejsza niż 0,80%. Natomiast powyżej 2,00% jego właściwość rozszerzająca zakres występowania żelaza gamma prowadzi do wytworzenia zbyt wyraźnej struktury pasemkowej. Zakres 1,20-1,70% Mn jest korzystny dla uzyskania zadowalającej hartowności bez ryzyka segregacji. Ponadto uzyskiwana jest w ten sposób bardzo dobra ciągliwość w warunkach obciążenia mechanicznego statycznego lub dynamicznego. - Krzem uczestniczy w odtlenianiu ciekłej stali i przyczynia się do utwardzania stali. Jednak jego zawartość powinna być ograniczona dla uniknięcia nadmiernego powstawania tlenków powierzchniowych oraz dla sprzyjania zdolności powlekania i spawalności. Dodatek powyżej 0,30% wagowych krzemu powodowałoby ewentualną stabilizację austenitu po schłodzeniu w tłoczniku, co nie jest celem wynalazku. Dla uzyskania powyższych wyników najkorzystniejsza jest zawartość krzemu poniżej 0,070%. - W nadmiernych ilościach siarka i fosfor zmniejszają ciągliwość. Dlatego ich zawartość jest ograniczona odpowiednio do 0,005 i 0,030% wagowych. Zawartość mniejsza odpowiednio niż 0,004 i 0,020% umożliwia przede wszystkim poprawę ciągliwości i sprężystości. - W ilości zawartej od 0,010 do 0,070% wagowych aluminium umożliwia odtlenianie ciekłej stali. W ilości zawartej najkorzystniej w zakresie od 0,020 do 0,040% umożliwia on uniknięcie ewentualnej stabilizacji austenitu. [0020] Tytan i niob należą do kategorii pierwiastków mikroskopowych, skutecznych nawet w niewielkich ilościach wynoszących od kilku 10-3 do kilku 10-2% : - Jeżeli zawartość niobu w stali wynosi od 0,015 do 0,100%, w austenicie lub w ferrycie podczas walcowania na gorąco powstają drobne, utwardzające wydzielenia węglikoazotków Nb(CN). Wydzielenia te umożliwiają również ograniczenie wzrostu ziarna austenitycznego podczas ewentualnego spawania. Przy zawartości niobu wynoszącej od 0,030 do 0,070% można uzyskać doskonałe utwardzanie, któremu towarzyszy umiarkowana poprawa

6 - 5 - właściwości mechanicznych w wysokiej temperaturze, co umożliwia ograniczenie nacisku podczas walcowania na gorąco przy walcowni taśm. - Jeżeli zawartość tytanu wynosi od 0,030 do 0,080% wagowych, zachodzi wydzielenie w postaci azotków TiN w bardzo wysokiej temperaturze, następnie w niższej temperaturze w austenicie w postaci drobnych węglików TiC prowadzących do utwardzania. Wydzielenia TiN umożliwiają skuteczne ograniczenie wzrostu ziaren austenitycznych podczas ewentualnych czynności spawania. Dzięki zawartości tytanu od 0,060 do 0,080% można uzyskać bardziej intensywne wydzielenie TiC lub węglikosiarczków tytanu. - Zawartość azotu jest mniejsza niż 0,009% dla uniknięcia wydzielenia TiN, które mogłoby następować począwszy od fazy krzepnięcia w postaci prostej. [0021] Po walcowaniu na gorąco lub walcowaniu na zimno i wyżarzaniu, niob i tytan mają postać wydzielenia. W sposobie według wynalazku realizowana jest później całkowita austenityzacja stali, po której następuje hartowanie w tłoczniku. Wynalazcy wykazali, że wydzielenia, przede wszystkim tytan, hamują skutecznie wzrost ziaren austenitycznych podczas nagrzewania i ograniczają powstawanie składników wtórnych o dużej twardości, ograniczających ciągliwość. Dzięki kontroli wielkości ziarna austenitycznego można uzyskać słabą wrażliwość na zmianę szybkości schładzania. W składzie stali mogą znaleźć się również takie pierwiastki, jak miedź, chrom, nikiel lub molibden, które przyczyniają się do wzrostu wytrzymałości przez utwardzanie w roztworze stałym lub wskutek ich wpływu na hartowność. Jednak zawartość każdego z nich powinna być ograniczona do 0,1%, gdyż istnieje ryzyko powstania struktur bainitycznych po austenityzacji w piecu, które to struktury są wrażliwe na zmiany szybkości schładzania. [0022] Stal może zawierać również dodatek wapnia aż do 0,006%, najkorzystniej 0,005% dla sferoidyzacji siarczków i poprawy wytrzymałości zmęczeniowej. [0023] Sposób wytwarzania według wynalazku jest następujący: - Otrzymuje się blachę lub wyciętą z blachy płytkę o jednym z powyższych składów. Początkowa mikrostruktura tej blachy odgrywa rolę stosunkowo drugorzędną w przypadku, gdy całkowita austenityzacja zachodzi w późniejszym czasie. Natomiast pierwiastki mikrostopowe powinny mieć postać wydzieleń: można by na przykład wytwarzać blachy i płytki przez odlewanie ciekłej stali, po którym następuje nagrzewanie do 1100 C. Walcowanie na gorąco będzie realizowane z końcową temperaturą walcowania poniżej 940 C. Realizuje się następnie schładzanie do C z szybkością od 20 do 100 C/s. Po późniejszym schłodzeniu w powietrzu blacha zostanie następnie nawinięta na szpulę w temperaturze od 450 do 680 C. W takich warunkach możliwe jest uzyskanie nieznacznego i rozproszonego wydzielania pierwiastków mikrostopowych. [0024] Można zrealizować wynalazek dla blachy lub płytki bez powłoki lub z powłoką wstępną. W tym ostatnim przypadku wykonuje się powłokę wstępna blachy, przy czym powłoka wstępna jest stopem na bazie cynku lub aluminium. Można mianowicie wykonać taką powłokę wstępną blachy przez proces hartowania na gorąco, przez powlekanie elektrolityczne lub przez proces powlekania próżniowego. Powłoka może być wykonywana

7 - 6 - w jednym etapie lub w kombinacji kolejnych etapach. Powlekanie jest realizowane korzystnie jako ciągłe. Grubość powłoki wstępnej może wynosić od 5 do 35 mikrometrów dla otrzymania powłoki odpornej na warunki obróbki. [0025] Stop, z którego wykona jest powłoka wstępna, może być z aluminium lub na bazie aluminium: można na przykład wykonać powłokę wstępną przez hartowanie na gorąco w kąpieli na bazie aluminium, zawierającej ponadto od 8 do 11% wagowych krzemu i od 2 do 4% żelaza. [0026] Stopem na powłokę wstępną może być również cynk lub stop na bazie cynku. Ten stop cynku może również zawierać aluminium, na przykład w ilości do 5% wagowych. Stop na bazie cynku może również zawierać opcjonalnie jeden lub kilka pierwiastków, takich jak krzem, ołów, antymon, bizmut, lantan lub cer. - Blacha pokryta powłoką wstępną jest następnie cięta dla otrzymania płytki o geometrii zbliżonej do geometrii elementu docelowego. - Według jednego przykładu wykonania wynalazku przyspawa się opcjonalnie płytkę pokrytą powłoką wstępną do innych elementów stalowych. Wiadomo bowiem, że w przypadku niektórych zastosowań nie w każdym punkcie elementu wymagany jest taki sam poziom właściwości mechanicznych. Tak więc stosuje się łączone płytki, które stanowią połączenie blach stalowych, charakteryzujących się ewentualnie zróżnicowanym składem i grubością. Płytka mająca powłokę wstępną może być więc umieszczona przez spawanie w bardziej złożonym zespole. Spawanie może być realizowane w postaci ciągłego procesu, na przykład wiązka LASER, łuk elektryczny lub w postaci procesu nieciągłego, takiego jak na przykład punktowe spawanie oporowe. Płytka może być łączona z jedną lub kilkoma innymi płytkami o jednakowym lub różnym składzie i grubości tak, że w stadium końcowym otrzymuje się elementy, których właściwości mechaniczne, po kształtowaniu i obróbce cieplnej, są zasadniczo różne i są miejscowo dostosowane do późniejszych obciążeń. Poza żelazem i nieuniknionymi zanieczyszczeniami skład wagowy płytek łączonych z płytką według wynalazku będzie na przykład następujący: C: 0,040-0,25%C, 0,8-2%Mn, Si 0,4%, Al 0,1%. - Według innego przykładu wykonania wynalazku ewentualnie odkształca się na zimno płytkę z powłoką wstępną. Odkształcanie to może być realizowane tak, że zbliża się w mniejszym lub większym stopniu do docelowej geometrii elementu, który chce się otrzymać. W przypadku niewielkiego odkształcenia na zimno, można je uzupełnić odkształceniem na gorąco, co zostanie przedstawione w dalszej części. W przypadku, gdy w wyniku odkształcenia na zimno możliwe praktycznie jest uzyskanie docelowej geometrii, nagrzewa się następnie element, a następnie poddaje się go etapowi obróbki plastycznej w tłoczniku. Ten ostatni etap ma na celu uniknięcie ewentualnych odkształceń elementów podczas schładzania i zapewnienie szczególnie korzystnego cyklu schładzania dzięki odpowiedniemu kontaktowi między elementem a tłocznikiem. Ten etap obróbki plastycznej charakteryzuje się więc minimalnym naciskiem narzędzia na element. - Po tych opcjonalnych etapach spawania i odkształcania na zimno, nagrzewa się płytkę w piecu do obróbki cieplnej. Obróbka ta ma na celu realizację pełnej austenityzacji stali.

8 - 7 - W przypadku płytki z powłoką wstępną, obróbka ta ma również na celu utworzenie powłoki, która będzie mogła chronić powierzchnię podczas obróbki i podczas późniejszego użytkowania elementu. [0027] Rola powłoki wstępnej na bazie aluminium jest następująca: podczas nagrzewania w piecu między substratem stalowym a powłoką wstępną zachodzi reakcja tworzenia stopu i powstaje warstwa stopowa na powierzchni płytki. Stop powstaje na całej grubości powłoki wstępnej. W zależności od składu powłoki wstępnej tworzy się jedna lub kilka faz pośrednich w tej warstwie tworzącej stop. Z uwagi na fakt, że temperatura topnienia tych faz jest wyższa od temperatury osiąganej w przypadku elementu, powłoka nie topi się w wysokiej temperaturze. Termin powłoka wstępna oznacza tworzenie stopu przed nagrzewaniem, a termin powłoka - warstwę tworzącą stop podczas nagrzewania. Obróbka cieplna powoduje więc zmianę powłoki wstępnej i jej geometrii, ponieważ grubość powłoki jest większa od grubości powłoki wstępnej z uwagi na reakcje dyfuzji do substratu stalowego. Jak można zauważyć, podczas obróbki cieplnej tworzona jest warstwa odporna na temperaturę. Warstwa ta chroni substrat, uniemożliwiając styczność z atmosferą pieca. W związku z tym można uniknąć problemów związanych z odwęglaniem i utlenianiem, które mogłyby wystąpić, jeżeli nagrzewanie zostałoby zastosowane do elementu bez powłoki wstępnej. Powstałe powłoki mają również zaletę przyczepności i dostosowania do ewentualnych późniejszych operacji kształtowania na gorąco. [0028] Nagrzewanie następuje w temperaturze T R powyżej Ac3, która to temperatura wskazuje na koniec przemiany austenitycznej nagrzewanej stali. Temperatura T R wynosi korzystnie od 880 do 950 C. Wygrzewanie t R przez 3 do 10 minut w T R może być realizowane dla ujednolicenia temperatury płytki. W takich warunkach powstaje drobne ziarno austenityczne w takim zakresie temperatur nieco powyżej Ac3. W takiej strukturze hartowność jest umiarkowana, dzięki czemu można uniknąć powstawania składników mikrostrukturalnych o słabej ciągliwości. Zmiana temperatury w tym zakresie nie powoduje istotnych zmian docelowych właściwości mechanicznych. [0029] Ogrzana płytka jest następnie usuwana z pieca i przenoszona do tłocznika, gdzie realizuje się albo odkształcanie na gorąco dla uzyskania pożądanej geometrii elementu albo obróbkę zgodną z powyższym opisem. Oczywiście, jeżeli płytka nie została wcześniej odkształcona, to właśnie w etapie odkształcania na gorąco następuje pełne odkształcenie. W obydwu przypadkach przy występowaniu elementu w tłoczniku następuje schłodzenie zasadniczo przez przewodzenie ciepła. Szybkość schładzania zależy od parametrów, takich jak czas przejścia między piecem i tłocznikiem, grubość i temperatura elementu, ewentualne schłodzenie samego tłocznika przez czynnik roboczy, utrzymanie elementu przez dłuższy lub krótszy czas w tłoczniku. Według przykładu wykonania możliwe jest przejście elementu do innego tłocznika, tzw. tłocznika wtórnego, dzięki któremu można kontrolować zakończenie cyklu schładzania. [0030] Wynalazcy wykazali, że uzyskanie pożądanych właściwości mechanicznych było związane z kontrolą korzystnego parametru V R : parametr ten określa średnią szybkość schładzania od temperatury T R elementu na wyjściu z pieca do temperatury 400 C. Ten

9 - 8 - zakres temperatur od T R do 400 C pokrywa się ze korzystnym przedziałem, w którym następują przemiany alotropowe, prowadzące do uzyskania pożądanych mikrostruktur w stali o składzie według wynalazku. [0031] Szybkość V R jest zawarta w przedziale od 30 do 80 C: kiedy V R jest mniejsze niż 30 C/s, przeważa ferrytyczna struktura elementów i nie zawsze można osiągnąć poziom wytrzymałości większej niż 500 MPa. Jeżeli szybkość V R jest zawarta w przedziale od 35 do 60 C, zmienność uzyskanych właściwości mechanicznych jest szczególnie ograniczona. [0032] Przy szybkości większej niż 80 C/s stwierdza się nadmierną ilość bainitu w mikrostrukturze: własności tego składnika są wrażliwe na niewielką zmianę V R. Dlatego też miejscowa zmiana warunków styczności między elementem a tłocznikiem, nieoczekiwana zmiana warunków obróbki w stosunku do parametrów nominalnych, będą powodować zmienność właściwości mechanicznych w obrębie danego elementu albo w porównaniu z innymi elementami. [0033] Mikrostruktura według wynalazku składa się z co najmniej 75% drobnego ferrytu równoosiowego, ta wartość procentowa odpowiada części powierzchni, która może być zmierzona, na przykład na wypolerowanym i wytrawionym przekroju. Współczynnik równoosiowy oznacza strukturę, w przypadku której średni stosunek między największą długością a najmniejszą długością ziaren ferrytycznych nie przekracza 1,2. Korzystnie średni wymiar ziarna ferrytycznego powinien być mniejszy niż 6 mikrometrów tak, że jednocześnie uzyskuje dużą wytrzymałość i wydłużenie względne znacznie większe niż 15%. [0034] Struktura zawiera również martenzyt, którego udział powierzchniowy wynosi od 5 do 20%. Ten składnik występuje w postaci rozproszonych wysepek w osnowie ferrytycznej, a wymiary tych wysepek są na ogół mniejsze lub równe wymiarom ziaren ferrytycznych. W takiej drobnej i rozproszonej postaci obecność od 5 do 20% martenzytu umożliwia zwiększenie wytrzymałości mechanicznej bez zbytniego zmniejszania ciągliwości. [0035] Struktura może również zawierać bainit w ilości ograniczonej do 10%. W rzeczywistości wykazano, że obecność tego składnika nie jest pożądana w przypadku wytwarzania elementów, które powinny charakteryzować się dużą jednorodnością właściwości mechanicznych. [0036] Ukształtowane w ten sposób, otrzymane elementy mogą być następnie łączone przez spawanie z innymi elementami o takiej samej lub różnej grubości czy składzie tak, że jest tworzona na przykład bardziej złożona struktura. [0037] W przypadku, gdy początkowo blacha lub płytka nie mają powłoki wstępnej, kształtowane elementy mogą oczywiście uzyskać właściwą powłokę po obróbce cieplnej, jeżeli wymagane jest w ich przypadku zabezpieczenie przed korozją. [0038] Przykładowo następujące wykonania zilustrują inne zalety wynalazku. Przykład 1: [0039] Zbadano lachy ze stali walcowanej na gorąco lub na zimno o grubości od 1,2 do 2 mm o następującym składzie wagowym:

10 - 9 - Tabela 1: Skład stali (% wagowe) Stal C Mn Si S P Al Nb Ti N Inne A 0,059 1,646 0,022 0,004 0,016 0,024 0,048 0,067 0, 005 Cu: 0,009 Mo: 0,003 Ni: 0,016 Ce: 0,027 Ca: 0,003 B 0,063 1,677 0,018 0,003 0,018 0,030 0,050 0,071 0,005 Cr: 0,023 C 0,125 1,444 0,384 0,002 0,020 0,030 0,003 0,011 0,005 Cr: 0,189 D 0,057 0,626 0,074 0,008 0,018 0,030 0,066 0,001 0,005 Ce: 0,021 Podkreślone wartości przedstawiają właściwości poza wynalazkiem. [0040] Stal A i B są stalami o składzie według wynalazku. Stal C i D są stalami porównawczymi. Blacha stalowa A walcowana na gorąco ma grubość 2 mm. Stal B stanowiła przedmiot prób w postaci blach walcowanych na gorąco o grubości 2 mm i blach walcowanych na zimno i wyżarzanych, o grubości 1,2 mm. [0041] Stal C i D są stalami porównawczymi walcowanymi na zimno i wyżarzanymi, o grubości 1,2 mm. [0042] Blachy tych różnych stali uzyskały wstępną powłokę podczas hartowania w kąpieli stopu aluminium, zawierającej 9,3% krzemu i 2,8% żelaza, resztę stanowią aluminium i nieuniknione zanieczyszczenia. Grubość powłoki wstępnej wynosi około 25 mikrometrów na jedną powierzchnię. Blachy były następnie cięte na płytki. [0043] Płytki były następnie ogrzewane aż do temperatury T R przez czas wygrzewania t R podany w tabeli 2. Niektóre stale były poddawane kilku warunkom badawczym, tak jak stal B w warunkach oznaczonych od B1 do B3. Warunki nagrzewania prowadzą w każdym przypadku do całkowitej przemiany austenitycznej stali. Podczas tej fazy nagrzewania i wygrzewania powłoka wstępna podlega przemianie w warstwę tworzącą stop na całej jej grubości. Ta powłoka tworząca stop, o wysokiej temperaturze topnienia i znacznej twardości, ma dużą odporność na korozję oraz umożliwia uniknięcie utleniania i odwęglania podstawowej stali znajdującej się pod spodem podczas fazy nagrzewania i po niej. [0044] Po austenityzacji płytki zostały usunięte z pieca o temperaturze T R, a następnie odkształcone na gorąco. Zmieniano średnią szybkość schładzania V R w warunkach podanych w tabeli 2. Właściwości mechaniczne, zmierzone w elementach (granica sprężystości Re, odporność mechaniczna Rm, wydłużenie względne A) również zostały podane w tabeli 2.

11 Tabela 2: Warunki austenityzacji i schładzania. Uzyskane właściwości mechaniczne. Wartości podkreślone przedstawiają właściwości poza wynalazkiem Stal, warunek T R ( C) t R (mn) V R ( C/s) Re (MPa) Rm (MPa) Re/Rm A(%) A ,63 22 A ,62 22 B ,65 22,5 B ,66 21,5 B ,67 13 C ,61 14,5 C ,65 10 C , D ,90 23,5 [0045] Mikrostruktury uzyskane po obróbce cieplnej zostały zbadane na wypolerowanych i przetrawionych przekrojach. Średni wymiar ziarna ferrytycznego został określony na podstawie analiz obrazów. [0046] Próby wykonane na stali A wykazują, że właściwości mechaniczne zależą w niewielkim stopniu od temperatury austenityzacji w sposobie według wynalazku. Produkcja przemysłowa będzie więc mało wrażliwa na nieprzewidzianą zmianę tego parametru. Przykładowa mikrostruktura jest przedstawiona na figurze 1. Struktura właściwa dla próby B1 ma 93% ferrytu równoosiowego, mającego średni wymiar 5 mikrometrów, oraz 7% martenzytu. [0047] Próby A1, A2, B1, B2 prowadziły wszystkie do struktur utworzonych w ponad 75% z ferrytu równoosiowego, martenzytu w ilości od 5% do 20% i mniej niż 10% bainitu. [0048] Zbyt duża szybkość schładzania (100 C/s, próba B3) prowadzi do uzyskania martenzytu nieco powyżej 20%. Martenzyt występuje w postaci wysepek, które mogą być większe niż 5 mikrometrów. Wydłużenie jest wówczas mniejsze niż 15%. [0049] Stal C zawiera zbyt dużo węgla i krzemu, a nie zawiera wystarczającej ilości składników mikrostopowych do skutecznej kontroli ziarna: nawet w warunkach schładzania 35 C/s struktura nie jest ferrytyczna, a głównie bainityczna, co przedstawia figura 2 dotycząca próby C1. Wydłużenie wówczas jest mniejsze niż 15%. Jeżeli wzrasta szybkość schładzania (próba C2 i C3), struktura staje się głównie martenzytowa ze śladami bainitu. Wydłużenie ulega znacznemu zmniejszeniu. [0050] Stal D zawiera niewystarczającą ilość manganu i tytanu oraz zawiera nadmierną ilość siarki. Dlatego wytrzymałość jest niewystarczająca, mniejsza niż 500 MPa w warunkach próby D1. [0051] Przykład 2: Zbadano blachę stalową B o składzie według wynalazku i podaną szczegółowo w tabeli 1. Blacha o grubości 2 mm ma wstępną powłokę ze stopu na bazie

12 aluminium zgodnie z opisem zawartym w przykładzie 1. Blacha była nagrzewana do temperatury 900 C przez 8 minut, następnie wytłaczana na gorąco tak, że wytwarza się element. Szybkość schładzania V R wynosi 60 C/s. Mając na uwadze morfologię elementu, równoważne odkształcenie ε zmienia się w zależności od poszczególnych obszarów: niektóre elementy nie zostały praktycznie odkształcone miejscowo (ε=0%), natomiast pozostałe uległy odkształceniu 20%. Obserwacje mikrograficzne, pomiary twardości i próby rozciągania zostały zrealizowane w tych odkształconych obszarach w bardzo różny sposób. Granica sprężystości jest zawarta w zakresie od 430 do 475 MPa, wytrzymałość od 580 do 650 MPa, wydłużenie względne od 17 do 22%. Zatem niezależnie od faktu, czy ziarno austenityczne jest odkształcane na gorąco w sposób mniej lub bardziej intensywny w zależności od miejsca, stal i sposób według wynalazku charakteryzują się tym, że utrzymują bardzo jednolite właściwości dla tego samego elementu. Przede wszystkim wytrzymałość i wydłużenie względne utrzymują się odpowiednio powyżej 500 MPa i 15% bez względu na rozpatrywany stopień odkształcenia. [0052] Wynalazek umożliwia więc wytwarzanie elementów powlekanych, charakteryzujących się bardzo dobrymi właściwościami dotyczącymi wytrzymałości i ciągliwości; a we wszystkich tych elementach właściwości te są jednolite. Stal według wynalazku jest mało wrażliwa na zmiany parametrów produkcyjnych, co stanowi zaletę w przypadku nieprzewidzianego przestoju linii produkcyjnej lub w przypadku zmian przy wytwarzaniu (na przykład elementy o różnej grubości, umieszczane kolejno w tym samym piecu). [0053] Zastosowanie wytwarzania tych elementów jest korzystne do produkcji części zabezpieczających, zwłaszcza części konstrukcyjnych i wzmacniających do produkcji pojazdów mechanicznych oraz w dziedzinie mechaniki rolniczej lub budowy statków. Sporządziła i zweryfikowała Grażyna Palka Rzecznik patentowy

13 Zastrzeżenia patentowe 1. Element otrzymany przez odkształcenie i schłodzenie w tłoczniku, blachy lub płytki ze stali, opcjonalnie z powłoką wstępną, której skład ma zawartości wyrażone wagowo:

14 a pozostałe składniki to żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia powstające podczas wytapiania, przy czym mikrostruktura tej stali jest utworzona przez ferryt równoosiowy w ilości co najmniej 75%, martenzyt w ilości równej lub większej niż 5% i równej lub mniejszej niż 20% oraz bainit w ilości równej lub mniejszej niż 10%. 2. Element ze stali według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że skład tej stali ma zawartości wyrażone wagowo:

15 a pozostałe składniki to żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia powstałe podczas wytapiania. 3. Element ze stali według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że średni wymiar ziarna ferrytycznego w tej stali jest mniejszy niż 6 mikrometrów. 4. Element ze stali według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 3, znamienny tym, że ten element jest powleczony warstwą tworzącą stop na całej grubości tej warstwy, a ta warstwa tworząca stop powstaje po co najmniej jednej obróbce cieplnej, łączącej tę stal z powłoką wstępną, przy czym tą powłoką wstępną jest stop na bazie cynku lub aluminium. 5. Element ze stali według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 4, znamienny tym, że jego wytrzymałość jest równa lub większa niż 500 MPa, a jego wydłużenie względne jest większe niż 15%. 6. Wyrób spawany, w którym co najmniej jedna z części to element według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do Sposób wytwarzania powlekanego elementu ze stali, przy czym mikrostruktura tej stali jest utworzona przez ferryt równoosiowy w ilości co najmniej 75%, martenzyt w ilości równej lub większej niż 5% i równej lub mniejszej niż 20% oraz bainit w ilości równej lub mniejszej niż 10%, obejmujący etapy, według których: - uzyskuje się blachę stalową, walcowaną na gorąco lub walcowaną na zimno, o składzie według zastrzeżenia 1 albo 2, następnie - wykonuje się powłokę wstępną tej blachy, a ta powłoka wstępna jest stopem na bazie cynku lub aluminium, następnie - tnie się tę blachę dla otrzymania płytki, następnie - ewentualnie spawa się tę płytkę, następnie - ewentualnie odkształca się na zimno tę płytkę, następnie - nagrzewa się tę płytkę do temperatury T R w piecu tak, że wytwarza się, przez połączenie tej stali z powłoką wstępną, warstwę połączoną z powierzchnią tej płytki, przy czym jest realizowane połączenie na całej tej warstwie tak, że uzyskuje się całkowicie austenityczną strukturę tej stali, następnie - usuwa się tę płytkę z pieca, następnie - ewentualnie odkształca się na gorąco tę płytkę dla otrzymania elementu, następnie - schładza się ten element w tłoczniku w warunkach właściwych dla uzyskania wytrzymałości mechanicznej większej niż 500 MPa i wydłużenia względnego większego niż 15% dla tego elementu stalowego. 8. Sposób wytwarzania elementu ze stali, przy czym mikrostruktura tej stali jest utworzona przez ferryt równoosiowy w ilości co najmniej 75%, martenzyt w ilości równej lub większej niż 5% i równej lub mniejszej niż 20% oraz bainit w ilości równej lub mniejszej niż 10%, obejmujący etapy, według których: - uzyskuje się blachę stalową, walcowaną na gorąco lub walcowaną na zimno, o składzie według zastrzeżenia 1 albo 2, następnie - tnie się tę blachę dla otrzymania płytki, następnie

16 ewentualnie spawa się tę płytkę, następnie - ewentualnie odkształca się na zimno tę płytkę, następnie - nagrzewa się tę płytkę do temperatury T R w piecu tak, że uzyskuje się całkowicie austenityczną strukturę tej stali, następnie - usuwa się tę płytkę z pieca, następnie - ewentualnie odkształca się na gorąco tę płytkę dla otrzymania elementu, następnie - schładza się ten element w tłoczniku dla uzyskania wytrzymałości mechanicznej większej niż 500 MPa i wydłużenia względnego większego niż 15% w warunkach właściwych dla uzyskania dla tego elementu stalowego, następnie - ewentualnie wykonuje się powłokę tego elementu. 9. Sposób wytwarzania według zastrzeżenia 7 albo 8, znamienny tym, że ta temperatura T R jest zawarta w zakresie od 880 do 950 C, a czas wygrzewania t R w tej temperaturze jest zawarty w zakresie od 3 do 10 minut. 10. Sposób wytwarzania według któregokolwiek z zastrzeżeń od 7 do 9, znamienny tym, że średnia szybkość schładzania V R od temperatury T R do 400 C wynosi od 35 do 80 C/s. 11. Sposób wytwarzania według któregokolwiek z zastrzeżeń od 7 do 9, znamienny tym, że średnia szybkość schładzania V R od temperatury T R do 400 C jest zawarta w zakresie od 35 do 60 C/s. 12. Zastosowanie elementu lub wyrobu według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 6 lub wytworzonego według któregokolwiek z zastrzeżeń od 7 do 11, dla wytwarzania elementów konstrukcji lub zabezpieczenia dla silnikowego pojazdu lądowego, w dziedzinie mechaniki rolniczej lub budowy statków Sporządziła i zweryfikowała Grażyna Palka Rzecznik patentowy

17 Figura 1 Figura 2