Technologie wytwarzania blach cienkich ze stali wielofazowych AHSS dla motoryzacji DR HAB. INŻ. Adam Grajcar, PROF. POL. ŚL., INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH WYDZIAŁU MECHANICZNEGO TECHNOLOGICZNEGO POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Wytwarzanie blach stalowych o pożądanej strukturze wielofazowej przeznaczonych na nadwozia nowoczesnych samochodów wymaga precyzyjnego doboru składu chemicznego stali, a także dotrzymania wąskich reżimów technologicznych podczas całego cyklu produkcyjnego. W zależności od przeznaczenia elementu produkowane są blachy walcowane na gorąco i na zimno o szerokim zakresie własności mechanicznych i technologicznych, które mogą być cynkowane lub są niepokrywane. W przypadku stali wielofazowych szczególnie istotne jest właściwe sterowanie temperaturą obrabianej cieplnie taśmy stalowej w celu kontroli postępu poszczególnych przemian fazowych. Rys. 1. Wpływ pierwiastków stopowych na krzywe CTP stali zaprojektowanych do wytworzenia mikrostruktury typu DP oraz TRIP [7] Koncepcja wysokowytrzymałych blach stalowych I i III generacji o strukturze wielofazowej przeznaczonych dla przemysłu motoryzacyjnego zakłada wytworzenie pożądanej mikrostruktury w relatywnie tanich stalach niskostopowych [1-5]. Minimalizacja kosztów materiałowych wymaga zapewnienia wysokiej wytrzymałości i plastyczności poprzez obróbkę cieplną stosowaną dla blach walcowanych na zimno [6-9] lub obróbkę cieplno-plastyczną w przypadku blach walcowanych na gorąco [4, 10, 11]. Do przeprowadzenia tego procesu niezbędne są niekonwencjonalne zabiegi technologiczne możliwe do realizacji w nowoczesnych, zintegrowanych liniach przemysłowych. W artykule przeanalizowano zasady doboru stali AHSS (Advanced High Strength Steel), a także rodzaju blachy na wybrane elementy nadwozia i podwozia samochodu. Szczególną uwagę poświęcono wpływowi pierwiastków na krzywe CTP (czas temperatura przemiana) austenitu przechłodzonego oraz doborowi ścieżki chłodzenia umożliwiającej uzyskanie pożądanej struktury wielofazowej. Wskazano różnice i podobieństwa podczas wytwarzania taśm na gorąco i na zimno oraz występujące pomiędzy poszczególnymi grupami stali. Rodzaje produkowanych taśm stalowych Wybór stali zdeterminowany jest głównie rodzajem rozpatrywanego elementu, jego umiejscowieniem w strukturze samochodu (nadwozie/podwozie, konstrukcja nośna/poszycie, strefa przednia/tylna /boczna), a tym samym wymaganiami odnośnie do własności mechanicznych, technologicznych i eksploatacyjnych. Zadaniem przedniej strefy konstrukcji nośnej samochodu jest absorpcja energii w przypadku kolizji drogowej. Z tego względu w tej strefie mają zastosowanie elementy kształtowane z blach stalowych typu DP, TRIP i FB [2], charakteryzujące się korzystnym połączeniem wysokiej wytrzymałości i plastyczności. Z tych stali wytwarza się także liczne elementy nośne w strefie tylnej samochodu oraz wzmacniające dach i podłogę. Strefa boczna powinna chronić kierowcę i pasażerów przed nadmierną intruzją elementów w głąb kabiny. Z tego względu musi cechować się znacznie większą sztywnością i wytrzymałością, przy mniejszej odkształcalności. W tej strefie znajdują zastosowanie elementy kształtowane z blach stalowych o mikrostrukturze wielofazowej typu CP, MART, HF, BA i QP [2, 3]. Technologies for the production of AHSS multiphase steel sheets for automotive industry Słowa kluczowe: stal wysokowytrzymała, blachy dla motoryzacji, stal wielofazowa, walcowanie na zimno, walcowanie na gorąco, obróbka cieplna Keywords: high-strength steel, automotive sheets, multiphase steel, cold rolling, hot rolling, heat treatment The production of steel sheets with a desired multiphase structure for the bodies of modern cars requires a precise selection of a chemical composition of steel and keeping narrow technological windows during the whole production cycle. Zinc-coated or uncoated hot-rolled sheets and cold-rolled sheets of a wide range of mechanical and technological properties are produced depending on the application of an element being manufactured. The precise control of the temperature of a steel strip being produced in order to monitor the progress of specific phase transformations is especially important for multiphase steels. M A J- C Z E R W I E C 2014 97
Na nadwozia samochodów zastosowanie mają elementy kształtowane z taśm stalowych walcowanych na zimno, ze względu na ich dużą dokładność wymiarową i wykończenia powierzchni. W większości przypadków stosuje się blachy cynkowane, chociaż wykorzystywane są także taśmy niepokrywane. Blachy ze stali wielofazowych stosuje się na odpowiedzialne elementy nadwozia: słupki boczne, wzmocnienia belki dachowej, podłużnice przednie, poprzeczne belki usztywniające dach i podłogę, progi zewnętrzne i wewnętrzne oraz elementy siedzeń i paneli podłogowych o skomplikowanym kształcie. Oprócz redukcji masy i przekroju elementów nadwozia istnieją także znaczne możliwości zmniejszenia masy pojazdów przez optymalizację przekrojów elementów podwozia. Elementy te, ze względu na wymaganą niezawodność, odporność zmęczeniową, żywotność itp., wykonywane są zazwyczaj z blach walcowanych na gorąco. Biorąc pod uwagę własności mechaniczne stali wielofazowych, a jednocześnie możliwość uzyskania skomplikowanych kształtów elementów, istnieją duże możliwości zastosowania stali wielofazowych na różne elementy podwozia, a w szczególności na wahacze, obręcze kół itp. Możliwość uzyskania taśm walcowanych na gorąco o grubości do około 1,4 mm w nowoczesnych liniach technologicznych rozszerza zakres zastosowania tej grupy blach także do elementów nadwozia, od których nie wymaga się szczególnej jakości powierzchni. Potencjalne zastosowania obejmują belki w strefach kontrolowanego pochłaniania energii, belki do mocowania siedzeń, wzmocnienia drzwi, wewnętrzne wzmocnienia progów itp. Rys. 2. Przebieg chłodzenia taśm stalowych po zakończeniu walcowania na gorąco dla różnych typów stali wielofazowych Wpływ składu chemicznego na krzywe CTP Niezbędnym warunkiem uzyskania struktury wielofazowej o odpowiednim udziale i morfologii składników strukturalnych jest dostosowanie warunków chłodzenia blach do wynikających z wykresów przemian austenitu przechłodzonego (CTP). Wpływ pierwiastków stosowanych w stalach wielofazowych na kształt krzywych CTP stali przewidzianych do wytworzenia mikrostruktury DP i TRIP przedstawia rys. 1. Duże możliwości kształtowania struktury wielofazowej występują w przypadku przesuniętych w lewo przemian oraz bainit, przy jednoczesnym opóźnieniu początku przemiany perlitycznej. Przesunięcie przemiany ferrytycznej w lewo następuje wraz ze zwiększoną zawartością Si, Al i P, a w odwrotnym kierunku oddziałują C, Mn, Cr, Mo i mikrododatek B [1, 6-10]. Krzem i aluminium dodawane są w celu opóźnienia wydzielania cementytu w zakresie przemiany bainitycznej. Jako pierwiastki ferrytotwórcze podwyższają one temperaturę A c3 stali i stwarzają duże możliwości sterowania udziałem ferrytu podczas chłodzenia stali z temperatury końca walcowania lub wyżarzania międzykrytycznego pomiędzy temperaturami A c1 i A c3. Cr, Mn i Si dodawane są w celu zwiększenia hartowności stali typu DP (Dual Phase) i CP (Complex Phase), natomiast Al i Mo sprzyjają tworzeniu mikrostruktury bainitycznej [1]. Niekorzystną cechą Al jest podwyższenie temperatury początku przemiany martenzytycznej M s, której ciągłe obniżanie w kolejnych stadiach obróbki cieplnej jest konieczne dla stabilizacji austenitu szczątkowego w stalach TRIP. Szczególnie niepożądanym składnikiem strukturalnym zmniejszającym ciągliwość stali jest perlit. W stalach TRIP konsumuje on węgiel, co uniemożliwia wystarczające wzbogacenie austenitu w ten pierwiastek, a w konsekwencji prowadzi do przemiany części fazy w martenzyt podczas chłodzenia stali. Korzystne przesunięcie przemiany perlitycznej w prawo jest wynikiem oddziaływania 98 M A J- C Z E R W I E C 2014
Rys. 3. Przebieg obróbki cieplnej po walcowaniu na zimno taśm stalowych typu DP i TRIP Mn, Al, Cr, Mo, Ni, Nb i B. W przypadku blach walcowanych na gorąco szczególne znaczenie dla wyboru określonego przebiegu chłodzenia mają wykresy przemian austenitu przechłodzonego odkształconego, uwzględniające wpływ odkształcenia plastycznego zadanego podczas walcowania [10]. Blachy ze stali wielofazowych wytwarza się jako gorącowalcowane lub zimnowalcowane. W zależności od rodzaju taśmy, koncepcja doboru składu chemicznego stali jest nieco inna. W przypadku blach zimnowalcowanych po walcowaniu stosuje się wyżarzanie międzykrytyczne z następnym chłodzeniem ciągłym lub przerywanym, a dla blach walcowanych na gorąco stosuje się obróbkę cieplno-plastyczną, w której krytycznym elementem procesu jest precyzyjne sterowanie szybkością chłodzenia taśmy stalowej na chłodni. Dobór składu chemicznego stali zależy także od preferowanej powierzchni taśmy stalowej: niepokrywana, cynkowana ogniowo, cynkowana z warstwą stopową Zn-Fe, cynkowana elektrolitycznie [1, 2, 12]. Taśmy stalowe walcowane na gorąco Ze względu na zróżnicowaną strukturę wyjściową blach walcowanych na zimno oraz na gorąco procesy strukturalne zachodzące w początkowej fazie obróbki cieplnej lub cieplno-plastycznej mają odmienny charakter. W przypadku taśm walcowanych na zimno, austenityzowanych następnie pomiędzy A c1 a A c3, jest to struktura zrekrystalizowanego ferrytu i austenitu tworzącego się z perlitu/bainitu, a w przypadku blach walcowanych na gorąco struktura austenitu o różnym stopniu zdefektowania, zależnym od warunków odkształcenia plastycznego na gorąco. Odmienny stan strukturalny determinuje cechy morfologiczne składników strukturalnych, co może mieć wpływ na własności mechaniczne i technologiczne blach. Schematy przebiegu chłodzenia taśm dla różnych gatunków stali AHSS po zakończeniu walcowania na gorąco przedstawia rys. 2. Oprócz odmiennego przebiegu chłodzenia i rozwoju mikrostruktury należy zwrócić uwagę na nieco odmienny kształt krzywych CTP, zależny od składu chemicznego stali [2, 3], a także na zmianę temperatury austenitu wraz z zaawansowaniem chłodzenia. Blachy stalowe typu DP Po zakończeniu walcowania na gorąco taśma stalowa jest szybko chłodzona laminarnie do zakresu temperaturowego przemiany austenitu w ferryt (około 650-700 C), a następnie przez kilka sekund (3-8 s) jest chłodzona na powietrzu. W tym czasie następuje przemiana austenitu w ferryt o udziale objętościowym od 70 do 85%, a jednocześnie austenit jest wzbogacany w węgiel do stężenia około 0,5-0,6%. Relatywnie wysoka temperatura M s stali ulega więc obniżeniu wraz ze wzrostem stężenia C w austenicie. Niska zawartość węgla w stalach DP (około 0,1%) oraz dodatki Si i Al, przesuwające zatokę ferrytyczną w lewo, stwarzają duże możliwości sterowania temperaturą taśmy w zakresie przemiany. W kolejnym etapie w celu uniknięcia przemiany perlitycznej i bainitycznej taśmy chłodzone są szybko w sposób laminarny w celu przemiany austenitu wzbogaconego w węgiel w martenzyt. Ze względu na wzbogacenie austenitu w węgiel jego hartowność rośnie, a uzyskany udział martenzytu jest zbliżony do udziału fazy przed rozpoczęciem szybkiego chłodzenia. Temperatura zwijania taśm w kręgi jest niższa od 300 C [4]. W przypadku krótkiego samotoku lub bardziej ekonomicznych składów chemicznych stali (mniejsze stężenie Mn, Cr, Si, Mo) można zastosować nowoczesne rozwiązania technologiczne oferujące przyspieszone szybkości chłodzenia taśm [4]. Blachy stalowe typu FB Blachy walcowane na gorąco o strukturze ferrytyczno-bainitycznej mają dużą odporność na pękanie podczas kształtowania technologicznego na zimno, a w szczególności podczas wywijania kołnierzy wokół otworów, co przysparza większych trudności w stalach DP i TRIP. Dodatkowo często stosowane są one na elementy podwozia ze względu na ich bardzo dobrą wytrzymałość zmęczeniową. Przebieg chłodzenia po zakończeniu walcowania na gorąco jest bardzo podobny do stosowanego w stalach DP. Po wytworzeniu pożądanego udziału ferrytu taśma stalowa jest chłodzona laminarnie do zakresu przemiany bainitycznej, w której następuje zwijanie taśm w kręgi. Ma to miejsce zazwyczaj poniżej temperatury 500 C i trwa do momentu całkowitej przemiany austenitu wzbogaconego w węgiel w bainit. Blachy stalowe typu TRIP Po wyjściu z ostatniej klatki wykończającej taśma stalowa jest chłodzo- 100 M A J- C Z E R W I E C 2014
Rys. 4. Schemat przedstawiający zmianę udziału objętościowego składników strukturalnych stali TRIP wraz ze zmianą stężenia węgla na laminarnie z szybkością około 100 C/s do temperatury około 700 C. Początkowy przebieg chłodzenia taśm jest podobny jak w przypadku stali DP i FB. Większe stężenie węgla w stali skutkuje jednak przesunięciem zatoki ferrytycznej w prawo. Czas na realizację przemiany wynosi około 5 s. Jest on nieco krótszy w porównaniu ze stalą DP, a wytworzona frakcja fazy jest mniejsza i wynosi od 50% do 60%. Wzbogacenie austenitu w węgiel na tym etapie obróbki wynosi około 0,4% i nie gwarantuje obniżenia temperatury poniżej 20 C. Następnie w celu uniknięcia przemiany perlitycznej blachy chłodzone są laminarnie do zakresu przemiany bainitycznej poniżej 500 C. W tej temperaturze następuje zwijanie taśm w kręgi i dalsze wzbogacenie austenitu w węgiel do stężenia od 1 do 1,4%. Prowadzi to do obniżenia temperatury fazy poniżej temperatury pokojowej. Czas wytrzymania nie może być zbyt krótki, gdyż niedostateczne wzbogacenie austenitu w węgiel powoduje przemianę części fazy w martenzyt podczas końcowego chłodzenia blach. Czas ten nie może także być zbyt długi, gdyż powoduje to destabilizację austenitu związaną z wydzielaniem węglików, a następnie z tworzeniem się martenzytu podczas chłodzenia taśm. Właściwy dobór temperatury i czasu wytrzymania izotermicznego gwarantuje zachowanie w strukturze około 15% austenitu szczątkowego, ulokowanego pomiędzy ziarnami ferrytu oraz wchodzącego w skład wysp bainitycznych. Blachy stalowe typu CP Sterowanie temperaturą taśmy po zakończeniu walcowania na gorąco jest podobne do stosowanego w przypadku stali TRIP. Czas wolnego chłodzenia w zakresie przemiany austenitu w ferryt jest krótszy, gdyż udział fazy nie przekracza zazwyczaj 45%. Także czas wytrzymania izotermicznego w zakresie przemiany bainitycznej w której M A J- C Z E R W I E C 2014 101
taśmy są zwijane w kręgi jest krótszy. Prowadzi to do wytworzenia około 40-procentowego udziału bainitu, a pozostały austenit jest wzbogacony w węgiel do zawartości od około 0,7 do 1%. Prowadzi to do celowego wytworzenia kilkunastoprocentowego udziału martenzytu podczas końcowego chłodzenia blach do temperatury pokojowej. Zazwyczaj kilka procent austenitu zachowuje stabilność do temperatury pokojowej, stanowiąc austenit szczątkowy. Blachy stalowe typu BA Przebieg chłodzenia blach stalowych o strukturze bainitycznej jest zbliżony do warunków stosowanych dla stali TRIP, za wyjątkiem początkowego etapu chłodzenia. Dodatkowo przy tym samym sposobie obróbki cieplno-plastycznej docelową mikrostrukturę może stanowić struktura bainityczna z austenitem szczątkowym (BA) lub struktura w pełni bainityczna. Zależy to od zastosowanej koncepcji składu chemicznego [2, 3]. Po zakończeniu walcowania taśmy chłodzone są laminarnie, bezpośrednio z zakresu stabilności austenitu. W zakresie temperatury od 400 do 500 C taśmy są zwijane w kręgi, przy czym wyższe temperatury stosowane są dla stali zawierających Mo [1]. Po wzbogaceniu austenitu w węgiel do zawartości około 1,2% blachy są chłodzone, uzyskując mikrostrukturę bainityczną z kilkunastoprocentowym udziałem austenitu szczątkowego. W przypadku stali w pełni bainitycznych stosuje się mniejsze stężenie Si i Al, a wprowadza się Mo i mikrododatek B. Pierwiastki te odsuwają w prawo zatokę ferrytyczną oraz perlityczną i sprzyjają formowaniu się bainitu. Wytrzymanie izotermiczne należy zakończyć po całkowitej przemianie austenitu w bainit. Blachy stalowe typu QP Po zakończeniu walcowania na gorąco blachy stalowe należy chłodzić laminarnie z dużą szybkością do temperatury nieco poniżej M s w celu niepełnego zahartowania stali (Quenching). Następnie blachy nagrzewa się do temperatury bliskiej M s stali i zwija się je w kręgi. W tej temperaturze następuje dyfuzyjne wzbogacenie pozostałej frakcji austenitu w węgiel i odpowiadające temu obniżenie temperatury (Partitioning). W trakcie końcowego chłodzenia taśm do temperatury pokojowej mniej stabilna frakcja fazy ulega przemianie martenzytycznej, a końcowa mikrostruktura zawiera martenzyt i kilkunastoprocentowy udział austenitu szczątkowego o zawartości C od 1,2 do 1,4% [12]. Taśmy stalowe walcowane na zimno Szczegółowy przebieg obróbki cieplnej dla taśm odwalcowanych na zimno może się różnić w danej grupie stali w zależności od tego, czy blachy będą cynkowane, czy będą stosowane jako niepokrywane. Dodatkowo profil temperaturowy obróbki cieplnej zależy od tego, czy wyżarzanie rekrystalizujące po walcowaniu prowadzi się w piecach kołpakowych, czy w nowoczesnych rozwiązaniach zintegrowanych linii ciągłych. Generalnie wyżarzanie w piecach kołpakowych jest znacznie dłuższe i bardziej energochłonne. Dodatkowo ze względu na ograniczoną szybkość chłodzenia taśm wytworzenie pożądanej struktury wymaga stosowania większej zawartości Cr, Mn i Mo. Do głównych zalet wyżarzania ciągłego należą: mniejsze stężenie dodatków stopowych, skrócenie czasu wyżarzania z dnia do kilku minut, duża wydajność oraz polepszenie jednorodności struktury i własności mechanicznych [6, 12]. Taśmy stalowe typu DP Po zakończeniu walcowania na zimno taśmy stalowe o strukturze ferrytyczno-perlitycznej nagrzewa się nieco powyżej A c1 stali. W tym zakresie temperatury tworzy się mikrostruktura ferrytyczno-austenityczna (rys. 3). Wzbogacenie austenitu w C skutkuje przesunięciem w prawo zatoki ferrytycznej. Blachy niepokrywane należy chłodzić szybko w celu przemiany austenitu w martenzyt, który następnie można odpuszczać w linii stosowanej do przestarzenia [6, 12]. Taśmy cynkowane ogniowo chłodzi się z szybkością około 15 C/s do temperatury około 450 C, w której są zanurzane w kąpieli metalowej. Temperatura austenitu jest zazwyczaj niższa od temperatury cynkowania, dlatego przemiana martenzytyczna ma miejsce podczas końcowego chłodzenia taśm do temperatury pokojowej. Taśmy stalowe typu TRIP Po zakończeniu walcowania na zimno taśmy stalowe o strukturze ferrytycznoperlityczno-bainitycznej nagrzewa się powyżej A c1, wygrzewa w tej temperaturze i chłodzi do zakresu przemiany bainitycznej (rys. 3). Zmianę udziału objętościowego poszczególnych składników strukturalnych wraz ze zmianą w nich stężenia C przedstawia rys. 4. Ze względu na krótki czas wytrzymania w kąpieli cynkowej w taśmach pokrywanych ogniowo preferuje się dodatek Al zamiast Si, co przyspiesza postęp przemiany bainitycznej oraz zapewnia dobrą zwilżalność powierzchni taśmy przez ciekły cynk [1, 7, 9]. Piśmiennictwo 1. De Cooman B.C.: Structure-properties relationship in TRIP steels containing carbide-free bainite. Current Opinion in Solid State & Materials Science, nr 8/2004, s. 285. 2. Grajcar A.: Nowoczesne stale wysokowytrzymałe dla motoryzacji I generacji. STAL Metale & Nowe Technologie, nr 5-6/2013, s. 150-153. 3. Grajcar A.: Nowoczesne stale wysokowytrzymałe dla motoryzacji III generacji. STAL Metale & Nowe Technologie, nr 3-4/2014, s. 6-10. 4. Sprock A., Peretic M.J., Speer J.G.: Compact cooling as an alternative to alloying for production of DP/TRIP steel grades. Iron & Steel Technology, vol. 7/2010, s. 170. 5. Advanced High Strength Steel (AHSS) Application Guidelines. International Iron & Steel Institute 2009; www.worldautosteel.org. 6. Molenda R., Kuziak R.: Metaloznawcze podstawy kształtowania struktury i właściwości blach ze stali DP w procesie ciągłego wyżarzania. Prace IMŻ, nr 2/2011, s. 29. 7. Ehrhardt B., Gerber T., Hofmann H., Schumann T.W.: Property related design of advanced cold rolled steels with induced plasticity. Steel Grips, vol. 2/2004, s. 247. 8. Lis A.K.: Stale o strukturze wielofazowej. Częstochowa 2010. 9. Bleck W., Phiu-On K.: Microalloying of coldformable multi phase steel grades. Materials Science Forum, vol. 500-501/2005, s. 97. 10. Grajcar A.: Struktura stali C-Mn-Si-Al kształtowana z udziałem przemiany martenzytycznej indukowanej odkształceniem plastycznym. Gliwice 2009. 11. Kuziak R.: Modelowanie zmian struktury i przemian fazowych zachodzących w procesach obróbki cieplno-plastycznej stali. Instytut Metalurgii Żelaza, Gliwice 2005. 12. De Cooman B.C., Speer J.G.: Fundamentals of steel product physical metallurgy. Association for Iron and Steel, Pittsburgh 2011. 102 M A J- C Z E R W I E C 2014