RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 2171112 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 09.07.2008 08830766.5 (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 23.11.2011 Europejski Biuletyn Patentowy 2011/47 EP 2171112 B1 (13) (51) T3 Int.Cl. C22C 38/04 (2006.01) C22C 38/00 (2006.01) C21D 9/46 (2006.01) (54) Tytuł wynalazku: Sposób wytwarzania blach stalowych o dobrych własnościach wytrzymałościowych i plastycznych oraz blachy tak wytworzone (30) Pierwszeństwo: 19.07.2007 EP 07290908 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 07.04.2010 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2010/14 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: 30.04.2012 Wiadomości Urzędu Patentowego 2012/04 (73) Uprawniony z patentu: ArcelorMittal France, Saint Denis, FR (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 2171112 T3 PASCAL DRILLET, Rozerieulles, FR DAMIEN ORMSTON, Dunkerque, FR (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Grażyna Palka JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY BIURO PATENTÓW I ZNAKÓW TOWAROWYCH ul. Żurawia 47/49 00-680 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).
13033/11/P-RO/GP /KM EP 2 171 112 Sposób wytwarzania blach stalowych o dobrych własnościach wytrzymałościowych i plastycznych oraz blachy tak wytworzone Wynalazek dotyczy wytwarzania blach lub części walcowanych na gorąco ze stali zwanych wielofazowymi, mających równocześnie bardzo dużą wytrzymałość i zdolność do odkształcania się umożliwiającą realizację operacji obróbki plastycznej na zimno lub na ciepło. Wynalazek dotyczy dokładniej stali o mikrostrukturze przeważająco bainitycznej, mającej wytrzymałość powyżej 800 Mpa i wskaźnik wydłużenia przy zerwaniu powyżej 10%. Przemysł samochodowy stanowi szczególnie uprzywilejowaną dziedzinę stosowania tych blach stalowych walcowanych na gorąco. Szczególnie w tym przemyśle istnieje ciągła potrzeba zmniejszania ciężaru pojazdów i zwiększania bezpieczeństwa. To w ten sposób zaproponowano poszczególne rodziny stali, aby odpowiedzieć wzrastającym potrzebom: Przede wszystkim zaproponowano stale zawierające elementy mikro stopowe, których utwardzenie uzyskano jednocześnie przez wydzielania i przez rozdrobnienie wielkości ziaren. Po opracowaniu tych stali nastąpiło opracowanie stali «Dual-Phase», gdzie obecność martenzytu wewnątrz osnowy ferrytycznej pozwala na uzyskanie wytrzymałości powyżej 450 Mpa w połączeniu z dobrą zdolnością do obróbki na zimno. Dla uzyskania wyższych poziomów wytrzymałości, opracowano stale mające właściwości «TRIP» («Transformation Induced Plasticity» (wymuszona plastyczność odkształcania)) w połączeniami z korzystnymi własnościami (wytrzymałość-zdolność do odkształcania): te własności związane są ze strukturą tych stali, utworzoną przez osnowę ferrytyczną zawierającą bainit i austenit szczątkowy. Pod wpływem odkształcenia, austenit szczątkowy stalowej części TRIP przekształca się stopniowo w martenzyt, co objawia się znacznym umocnieniem i opóźnia pojawienie się przewężenia. Aby uzyskać jednocześnie wysoki stosunek graniczny sprężystość/wytrzymałość, jeszcze większą wytrzymałość, to znaczy poziom powyżej 800 MPa, opracowano stale wielofazowe o strukturze przeważająco bainitycznej; w przemyśle samochodowym lub w przemyśle ogólnym, te stale są z powodzeniem stosowane do wytwarzania części konstrukcyjnych. Zdolność do obróbki plastycznej tych części wymaga tymczasem równocześnie wystarczającego wydłużenia. Ta potrzeba może być również wymagana, jeśli części są spawane, a następnie obrabiane plastycznie: w tym przypadku, połączenia spawane muszą mieć wystarczającą zdolność do obróbki plastycznej i nie prowadzić do przedwczesnych zerwań na poziomie połączeń. JP 2003 321739 A opisuje blachę ze stali o wysokich własnościach wytrzymałości i plastyczności i sposób wytwarzania tej blachy. Skład blachy ma zawartości wyrażone wagowo: 0,03-0,1% C, 0,5-1,7% Mn, 0-0,1% Al, 0-2% Si, 0,1-0,5% Mo, 0-0,01% S, 0-0,06% P, 0-0,006% N, 0,01-0,15% V, 0,007-0,2% Ti, 0,005-0,02% Nb, a pozostałość Fe i nieuniknione zanieczyszczenia wynikające z wytwarzania. Mikrostruktura składa się w 5-70% z bainitu, pozostałość to głównie ferryt.
- 2 - Obecny wynalazek ma na celu rozwiązanie wyszczególnionych wyżej zagadnień. Zmierza do oddania do dyspozycji stalowej blachy walcowanej na gorąco, mającej wytrzymałość mechaniczną powyżej 800 Mpa włącznie ze stopniem wydłużenia przy zerwaniu powyżej 10%, zarówno w kierunku wzdłużnym jak i poprzecznym w stosunku do walcowania. Wynalazek ma również na celu oddanie do dyspozycji blachy stalowej mało wrażliwej na uszkodzenie podczas cięcia mechanicznego. Ma również na celu udostępnienie blachy mającej dobrą zdolność do obróbki plastycznej połączeń spawanych wytwarzanych z tą stalą, w szczególności połączeń uzyskanych spawaniem LASER. Wynalazek ma również na celu udostępnienie sposobu wytwarzania blachy stalowej w stanie niepowleczonym, cynkowanym elektrolitycznie lub cynkowanym, lub aluminiowanym. Wymaga to więc, aby własności mechaniczne tej stali były mało wrażliwe na cykle termiczne związane z procesami powlekania cynkiem lub ciągłego cynkowania ogniowego. Wynalazek ma na celu również udostępnienie blachy lub części stalowej walcowanej na gorąco, dostępnej nawet o małej grubości, to znaczy, przykładowo, między 1 i 5mm. Twardość stali na gorąco nie może być zbyt duża, celem ułatwienia walcowania. Zatem celem wynalazku jest blacha lub część stalowa walcowana na gorąco o wytrzymałości powyżej 800 Mpa, o wydłużeniu przy zerwaniu powyżej 10%, której skład ma zawartości wyrażone wagowo: 0,050% C 0,090%, 1% Mn 2%, 0,015% Al 0,050 %, 0,1% Si 0,3%, 0,10% Mo 0,40%, S 0,010%, P 0,025%, 0,003% N 0,009%, 0,12% V 0,22%, Ti 0,005%, Nb 0,020% i opcjonalnie Cr 0,45%, a pozostały skład jest złożony z żelaza i z nieuniknionych zanieczyszczeń wynikających z wytwarzania, przy czym mikrostruktura blachy lub części stalowej zawiera we frakcji powierzchniowej co najmniej 80% bainitu górnego, przy czym ewentualne dopełnienie składa się z bainitu dolnego, martenzytu i austenitu resztkowego, a suma zawartości martenzytu i austenitu resztkowego wynosi poniżej 5%. Skład stali ma korzystnie zawartość wyrażoną wagowo: 0,050% C 0,070%. Korzystnie skład ma zawartość wyrażoną wagowo: 0,070% <C 0,090%. Według korzystnego sposobu skład ma zawartość: 1,4% Mn 1,8%. Korzystnie skład ma zawartość: 0,020% Al 0,040 %. Skład stali ma zawartość korzystnie: 0,12% V 0,16 %. Według korzystnego sposobu skład stali ma zawartość 0,18% Mo 0,30 %. Korzystnie skład ma zawartość: Nb 0,005 %. Korzystnie skład ma zawartość: 0,20% Cr 0,45%. Według szczególnego sposobu, blacha lub część powleczona jest powłoką na bazie cynku lub na bazie aluminium. Przedmiotem wynalazku jest również część stalowa o składzie i mikrostrukturze określonej powyżej, charakteryzującej się tym, że została uzyskana przez grzanie do temperatury T
- 3 - zawartej między 400 i 690 C, a następnie tłoczenie na ciepło w zakresie temperatury zawartej między 350 C i (T-20 0 C), a następnie późniejsze chłodzenie do temperatury otoczenia. Przedmiotem wynalazku jest również połączenie spawane wiązką o dużej gęstości energii, realizowane na blasze lub części stalowej według jednego z powyższych sposobów. Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania blachy lub części stalowej walcowanej na gorąco o wytrzymałości powyżej 800 Mpa, o wydłużeniu przy zerwaniu powyżej 10%, zgodnie z którym dostarcza się stal o powyższym składzie, wytapia się półprodukt, który doprowadza się do temperatury powyżej 1150 C. Walcuje się na gorąco półprodukt aż do temperatury T FL w zakresie temperatury, w którym mikrostruktura stali jest całkowicie austenityczna, tak, aby uzyskać blachę. Następnie chłodzi się ją z szybkością chłodzenia V R zawartą między 75 i 200 C/s, a następnie zwija się blachę w temperaturze T bob zawartej między 500 i 600 C. Według korzystnego sposobu, temperatura końcowa walcowania T FL jest zawarta między 870 i 930 C. Korzystnie szybkość chłodzenia V R jest zawarta między 80 i 150 C/s. Korzystnie blacha jest trawiona, a następnie opcjonalnie wygładzana, a potem powlekana cynkiem lub stopem cynku. Według korzystnego sposobu, powłoka jest realizowana w sposób ciągły ogniowy. Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania części tłoczonej na ciepło, według którego dostarcza się blachę stalową zgodną z jedną z powyższych charakterystyk lub wytwarzaną zgodnie ze sposobem według jednej z powyższych cech, a następnie wycina się wspomnianą blachę dla otrzymania płytki do tłoczenia. Płytkę do tłoczenia podgrzewa się częściowo lub w całości do temperatury T zawartej między 400 i 690 C, w której dokonuje się wygrzewania przez czas poniżej 15 minut w taki sposób, aby otrzymać gorącą płytkę do tłoczenia, następnie tłoczy się płytkę do tłoczenia podgrzaną do temperatury zawartej między 350 i T-20 C, celem uzyskania części, którą schładza się aż do temperatury otoczenia z szybkością V' R. Według szczególnego sposobu, szybkość V' R jest zawarta między 25 i 100 C/s. Przedmiotem wynalazku jest również stosowanie blachy stalowej walcowanej na gorąco według jednego z powyższych sposobów, lub wytwarzanej według jednego z powyższych sposobów wytwarzania części konstrukcyjnych lub elementów wzmocnienia, w dziedzinie motoryzacji. Inne cechy i zalety wynalazku wynikną z poniższego opisu, podanego dla przykładu i dokonanego z odwołaniem się do załączonych figur, zgodnie z którymi: - Figura 1 przedstawia wpływ zawartości węgla na wydłużenie w kierunku wzdłużnym spoin łączących wykonanych wiązką LASER. - Figura 2 przedstawia mikrostrukturę blachy lub części stalowej według wynalazku. - Figura 3 przedstawia mikrostrukturę części stalowej tłoczonej na ciepło według wynalazku. W zakresie dotyczącym składu chemicznego stali, węgiel spełnia poważną rolę
- 4 - w kształtowaniu się mikrostruktury i własności mechanicznych. Według wynalazku, zawartość węgla jest zawarta między 0,050 i 0,090% wagowych: Poniżej 0,050%, nie może zostać uzyskana wystarczająca wytrzymałość. Ponad 0,090%, utworzona mikrostruktura składa się przeważająco z bainitu dolnego, przy czym strukturę tą charakteryzuje obecność węglików wydzielonych pośród łat ferrytu bainitycznego: uzyskana w ten sposób wytrzymałość mechaniczna jest wysoka, ale wydłużenie jest wówczas znacznie ograniczone. Według szczególnego sposobu z wynalazku, zawartość węgla jest mieści się między 0,050 i 0,070%. Figura 1 przedstawia wpływ zawartości węgla na wydłużenie w kierunku wzdłużnym spoin łączących wykonanych wiązką LASER: szczególnie duże wydłużenie przy zerwaniu, rzędu 17 do 23% związane jest z zawartością węgla wynoszącą od 0,050 do 0,070%. Te wysokie wartości wydłużenia pozwalają zapewnić, że blachy spawane metodą LASER będą mogły być tłoczone w sposób zadowalający, nawet przy uwzględnieniu ewentualnych, miejscowych niedoskonałości, takich jak osobliwości geometryczne szwów spawalniczych, powodujących koncentracje naprężeń, lub mikroporowatości wewnątrz stopionego metalu. Wobec stali o 0,12%C według dotychczasowego stanu techniki, oczekiwano, że ograniczenie węgla poprawi spawalność. Jednakże, zwrócono uwagę na to, że znaczne obniżenie zawartości węgla umożliwia nie tylko uzyskanie dużego wydłużenia przy zerwaniu, ale równocześnie utrzymanie wytrzymałości mechanicznej na poziomie powyżej 800 Mpa, czego nie oczekiwano przy zawartościach równie niskich jak 0,050% C. Według innego, zalecanego sposobu, zawartość węgla jest wyższa od 0,070% i niższa lub równa 0,090%: nawet jeśli ten zakres nie prowadzi do plastyczności równie wysokiej, wydłużenie przy zerwaniu spoin LASER jest wyższe niż 15% i pozostaje porównywalne do tego, należącego do blachy podstawowej. Przy zawartości mieszczącej się między 1 i 2 % wagowo, mangan podnosi hartowność i pozwala uniknąć tworzenia się ferrytu podczas chłodzenia po walcowaniu. Mangan przyczynia się również do odtlenienia stali podczas wytwarzania w fazie płynnej. Dodatek manganu przyczynia się również do skutecznego twardnienia w roztwór stały i do uzyskania zwiększonej wytrzymałości. Korzystnie mangan zawarty jest między 1,4 i 1,8 %: tworzy się tym sposobem strukturę całkowicie bainityczną, bez ryzyka pojawienia się struktury w postaci szkodliwych pasm. W zakresie zawartości mieszczących się między 0,015% i 0,050%, aluminium jest elementem skutecznym do odtleniania stali. Ta skuteczność jest uzyskana w sposób szczególnie oszczędny i stabilny, kiedy zawartość aluminium mieści się między 0,020 i 0,040%. Przy ilości wyższej lub równej 0,1 %, krzem przyczynia się do odtleniania w fazie płynnej i do twardnienia w roztwór stały. Tymczasem dodanie krzemu powyżej 0,3 % powoduje tworzenie się tlenków silnie przylegających i pojawienie się ewentualnych wad powierzchni, zwłaszcza wskutek braku zwilżalności przy czynnościach cynkowania ogniowego. Przy ilości większej lub równej 0,10%, molibden opóźnia przekształcenie bainityczne podczas chłodzenia po walcowaniu, przyczynia się do twardnienia w postać roztworu stałego i zmniejsza wielkość łat bainitycznych. Według wynalazku, zawartość molibdenu jest mniejsza
- 5 - lub równa 0,40% dla uniknięcia nadmiernego tworzenia się struktur hartowania. Ta ograniczona zawartość molibdenu umożliwia również obniżenie kosztów produkcji. Według korzystnego sposobu, zawartość molibdenu jest wyższa lub równa od 0,18% i mniejsza lub równa 0,030%. W taki sposób poziom jest idealnie dopasowany dla unikania tworzenia się ferrytu lub perlitu w blasze stalowej na stole chłodzącym po walcowaniu na gorąco. Przy ilości powyżej 0,010%, siarka dąży do wydzielania się w nadmiernej ilości w postaci siarczków manganu, które ograniczają znacznie zdolność do obróbki plastycznej. Fosfor jest znanym elementem do segregacji na granicy ziaren. Jego zawartość musi zostać ograniczona do 0,025% tak, aby zachować wystarczającą plastyczność na gorąco. Opcjonalnie, skład może zawierać chrom w ilości mniejszej lub równej 0,45%. Dzięki innym elementom składu i sposobowi według wynalazku, jego obecność nie jest absolutnie konieczna, co w sposób korzystny pozwala uniknąć kosztownych dodatków. Dodatek chromu między 0,20 i 0,45% może zostać dokonany, jako uzupełnienie innych elementów zwiększających hartowność: poniżej 0,20%, wpływ na hartowność nie jest wystarczająco znaczący. Powyżej 0,45%, powlekalność może zostać obniżona. Według wynalazku, stal zawiera poniżej 0,005% Ti i poniżej 0,020% Nb. W przeciwnym wypadku, elementy te wiążą zbyt wielką ilość azotu w postaci azotków lub węglikoazotków. Brakuje wówczas wystarczającej ilości azotu niezbędnego dla wydzielania z wanadem. Ponadto, nadmierne wydzielanie się niobu mogłoby zwiększyć twardość na gorąco i nie pozwolić na łatwe wykonanie blach walcowanych na gorąco, o małej grubości. Według szczególnie oszczędnego sposobu, zawartość niobu jest niższa od 0,005%. Wanad jest, według wynalazku, ważnym elementem: stal ma zawartość wanadu w granicach między 0,12 i 0,22%. W stosunku do stali bez wanadu, zwiększenie wytrzymałości dzięki wydzielaniu utwardzającemu węglikoazotków może wynosić do 300 Mpa. Poniżej 0,12%, nie stwierdza się znaczących skutków wobec własności mechanicznych rozciągania. Powyżej 0,22% wanadu, w warunkach wytwarzania według wynalazku, stwierdza się pełnię skutku wywieranego na własności mechaniczne. Zawartość poniżej 0,22% pozwala więc na uzyskanie wysokich właściwości mechanicznych w sposób bardzo ekonomiczny w stosunku do stali, które mogłyby mieć wyższe zawartości wanadu. Dla zawartości wanadu pomiędzy 0,13 i 0,15%, uzyskuje się rozdrobnienie mikrostruktury i utwardzenie strukturalne szczególnie skuteczne. Według wynalazku, zawartość azotu jest większa lub równa 0,003% dla otrzymania wydzielania się węglikoazotków wanadu w wystarczającej ilości. Tymczasem, zawartość azotu jest mniejsza lub równa 0,009% dla uniknięcia obecności azotu w roztworze stałym lub tworzenia się węglikoazotków o poważniejszej wielkości, które ograniczałyby plastyczność. Pozostały skład jest złożony z nieuniknionych zanieczyszczeń wynikających z wykonawstwa, takich jak na przykład Sb, Sn, As.
- 6 - Mikrostruktura blachy lub części stalowej według wynalazku składa się z: - co najmniej 80% bainitu górnego, przy czym ta struktura składa się z łat ferrytu bainitycznego i węglików usytuowanych między tymi łatami, a wydzielanie następuje podczas przekształcania bainitycznego. Ta osnowa ma własności wysokiej wytrzymałości, połączone z dużą plastycznością. Bardzo korzystnie mikrostruktura składa się z co najmniej 90% bainitu górnego: mikrostruktura jest wówczas bardzo jednorodna i pozwala uniknąć umiejscowienia się odkształceń. - jako ewentualne uzupełnienie, struktura zawiera: - bainit dolny, gdzie wydzielanie się węglików następuje pośród łat ferrytycznych; w porównaniu z bainitem górnym, bainit dolny ma większą wytrzymałość, ale mniejszą plastyczność. - ewentualnie martenzyt. Ten jest często połączony z austenitem resztkowym w postaci związków «M-A» (martenzyt-austenit resztkowy). Zawartość całkowita martenzytu i austenitu resztkowego musi zostać ograniczona do 5%, aby nie obniżać plastyczności. Powyższe zawartości procentowe mikrostrukturalne odpowiadają frakcjom powierzchniowym, które można zmierzyć na przekrojach polerowanych i trawionych. Mikrostruktura nie zawiera więc ferrytu pierwotnego lub przedeutektoidalnego: ma więc dużą jednorodność, ponieważ różnica własności mechanicznych między osnową (bainit górny) i innymi ewentualnymi składnikami (bainit dolny i martenzyt) jest niewielka. Podczas obciążenia mechanicznego, odkształcenia rozkładają się w sposób jednorodny. Nie następuje akumulacja dyslokacji na poziomie powierzchni granicznych między składnikami i unika się przedwczesnego uszkodzenia, w przeciwieństwie do tego, co może być stwierdzone w strukturach zawierających znaczące ilości ferrytu pierwotnego, fazy, której granica plastyczności jest bardzo niska, lub martenzytu o bardzo wysokim poziomie wytrzymałości. W ten sposób, blacha stalowa według wynalazku ma szczególną przydatność do pewnych sposobów odkształcania, wymagających, tak jak roztłaczanie otworów, obciążenie mechaniczne wycinanych brzegów, gięcie. Realizacja sposobu wytwarzania blachy lub części stalowej walcowanej na gorąco według wynalazku, jest następująca: - dostarcza się stali o składzie według wynalazku, a następnie dokonuje się wytopu półproduktu z tej stali. Ten wytop może zostać wykonany w postaci wlewków, lub w sposób ciągły, w postaci kęsisk płaskich o grubości 200 mm. Można również dokonać wytopu w postaci kęsisk cienkich kęsisk płaskich, o grubości kilku dziesiątek milimetrów, lub cienkich taśm, między stalowymi walcami przeciwbieżnymi. Odlane półprodukty są najpierw podgrzewane do temperatury powyżej 1150 0 C, celem uzyskania w każdym punkcie temperatury sprzyjającej znacznym odkształceniom, którym będzie podlegać stal podczas walcowania. Oczywiście, w przypadku bezpośredniego wytopu cienkich kęsisk płaskich lub cienkich taśm między walcami przeciwbieżnymi, etap walcowania na gorąco tych półproduktów rozpoczynający się przy 1150 C, może być wykonany bezpośrednio po wytopie, tak, że
- 7 - w tym przypadku etap podgrzewania pośredniego nie jest niezbędny. Walcuje się na gorąco półprodukt w zakresie temperatur, w której struktura stali jest całkowicie austenityczna, aż do temperatury końcowa walcowania T FL. Temperatura T FL jest zawarta w sposób korzystny między 870 i 930 C dla otrzymania wielkości ziarna dostosowanej do przekształcenia bainitycznego, które nastąpi. Następnie wykonuje się chłodzenie z szybkością V R zawartą między 75 i 200 C/s: szybkość minimalna 75 C/s pozwala unikać tworzenie się ferrytu przedeutektoidalnego i perlitu, podczas gdy szybkość V R niższa lub równa 200 C/s pozwala uniknąć nadmiernego tworzenia się martenzytu. W sposób optymalny, szybkość V R jest zawarta między 80 i 150 C/s: Minimalna szybkość 80 C/s prowadzi do tworzenia się bainitu górnego o rozmiarze łat bardzo ograniczonym, związanym z doskonałymi własnościami mechanicznymi. Szybkość poniżej 150 C/s pozwala uniknąć bardzo znacząco, tworzenie się martenzytu. Zakres szybkości chłodzenia według wynalazku może być uzyskana za pomocą środka do rozpylania wody lub mieszaniny powietrze-woda, w zależności od grubości blachy, na wylocie z walcarki wykańczającej. - Po tej fazie szybkiego chłodzenia, blacha walcowana na gorąco jest zwijana przy temperaturze T bob zawartej między 500 i 600 0 C. Przemiana bainityczna dokonuje się podczas tej fazy zwijania; w ten sposób unika się tworzenia ferrytu przedeutektoidalnego lub perlitu, spowodowanego temperaturą zwijania zbyt wysoką i unika się również tworzenia się składników hartowania, które byłyby powodowane zbyt niską temperaturą zwijania. Ponadto, wydzielanie się węglikoazotków występujące w tym zakresie temperatur zwijania, pozwala uzyskać dodatkowe utwardzenie. Blacha może być stosowana w stanie nagim lub powleczonym. W tym ostatnim przypadku, powłoka może na przykład być powłoką na bazie cynku lub aluminium. Według zamierzonego zastosowania, blachę wytrawia się po walcowaniu, według znanego sposobu tak, aby otrzymać stan powierzchni umożliwiający realizacja późniejszego powlekania. Aby usunąć przystanek występujący podczas próby mechanicznego rozciągania, blacha może zostać ewentualnie poddana lekkiemu odkształceniu na zimno, zwykle mniejszemu od 1% («skin-pass»). Blacha jest następnie powlekana cynkiem lub stopem na bazie cynku, przykładowo przez cynkowanie elektrolityczne lub ciągłe cynkowanie ogniowe. W tym ostatnim przypadku, zwraca się uwagę, że szczególna mikrostruktura stali, złożona głównie z bainitu górnego, jest mało wrażliwa na warunki termiczne późniejszej obróbki cynkowania, tak, że własności mechaniczne blach powlekanych ogniowo w sposób ciągły, mają dużą stabilność, nawet w przypadku zmian tych warunków nie w porę. Blacha w stanie ocynkowanym ma więc własności mechaniczne bardzo podobne do tych w stanie niepowleczonym. Wycina się następnie blachy znanymi sobie sposobami, tak, aby otrzymać płytki do tłoczenia zdolne do obróbki plastycznej.
- 8 - Twórcy wynalazku stwierdzili również, że jest możliwe wykorzystanie mikrostruktury według wynalazku dla realizacji części tłoczonych w sposób szczególnie korzystny, według następującego sposobu: - Podgrzewa się najpierw płytki do tłoczenia określone powyżej, do temperatury zawartej między 400 i 690 C. Czas wygrzewania w tej temperaturze może dochodzić do 15 minut, bez wystąpienia ryzyka, że wytrzymałość Rm części końcowej nie zmniejszy się poniżej 800 MPa. Temperatura grzania musi być wyższa od 400 C, aby obniżyć wystarczająco granicę plastyczności stali i umożliwić tłoczenie, które ma nastąpić, przy użyciu niewielkich sił, i spowodować, aby sprężynowanie tłoczonej części było również minimalne, co pozwala na wytwarzanie części z dużą dokładnością geometryczną. Ta temperatura jest ograniczona do 690 C po pierwsze, celem uniknięcia częściowej przemiany podczas grzania w austenit, co prowadziłoby do tworzenia się składników hartowania przy chłodzeniu, po drugie, celem uniknięcia zmiękczenia osnowy, co prowadziłoby do wytrzymałości poniżej 800 MPa części tłoczonej. - Dokonuje się następnie tłoczenia tych płytek do tłoczenia podgrzewanych w zakresie temperatury począwszy od 350 C do (T-20 C) celem utworzenia części, którą schładza się do temperatury otoczenia. Wykonuje się w ten sposób tłoczenie «na ciepło» z następującymi skutkami: - Zmniejsza się naprężenie płynięcia plastycznego stali. Pozwala to na stosowanie słabszych pras do tłoczenia i/lub wytwarzać części trudniejsze do wykonania tylko przez tłoczenie na zimno. - Zakres temperatury tłoczenia na ciepło uwzględnia lekki spadek temperatury, kiedy płytka do tłoczenia jest wyjmowana z pieca i przenoszona do prasy do tłoczenia: dla temperatury grzania T 0 C, tłoczenie może się rozpocząć przy temperaturze (T-20 C). Temperatura tłoczenia musi jednakże być wyższa niż 350 0 C, celem ograniczenia sprężynowania i poziomu naprężeń szczątkowych w części końcowej. W porównaniu z tłoczeniem na zimno, to zmniejszenie sprężynowania pozwala na wytwarzanie części z lepszą końcową tolerancją geometryczną. - W sposób zaskakujący, odkryto, że szczególna mikrostruktura stali według obecnego wynalazku, ma dużą stabilność własności mechanicznych (wytrzymałość, wydłużenie) podczas tłoczenia na ciepło: rzeczywiście, zmiana temperatury tłoczenia lub szybkości chłodzenia po tłoczeniu, nie prowadzą do poważnej zmiany mikrostruktury i do wydzieleń, takich jak węglikoazotki. - W zakresie warunków wynalazku, nieprzewidziana zmiana lub wahanie się parametrów grzania (temperatury lub czasu wygrzewania) lub chłodzenia (styczność bardziej lub mniej dokładna części z oprzyrządowaniem) nie prowadzą więc do odrzucenia części w ten sposób wytwarzanych. - Podczas grzania i tłoczenia na ciepło, zmiana składników M-A ewentualnie obecnych w małej ilości początkowej, nie skutkuje osłabieniem się własności mechanicznych. Nie zauważa się, na przykład, negatywnego wpływu związanego z destabilizacją austenitu resztkowego.
- 9 - - Mikrostruktura po tłoczeniu na ciepło jest bardzo bliska mikrostruktury przed tłoczeniem. W ten sposób, jeśli podgrzewa się i tłoczy na ciepło nie całość płytki do tłoczenia, ale tylko jej część (część do tłoczenia jest grzana miejscowo odpowiednim środkiem, na przykład indukcyjnie), mikrostruktura i własności części końcowej będą równie jednorodne w jej poszczególnych częściach. Przykład 1: Opracowano stale, których skład przedstawiony jest w poniższej tabeli, wyrażony w procentach wagowych. Poza stalą l-1, która posłużyła do wytwarzania blach według wynalazku, wskazano tytułem porównania, skład stali R-1 i R-2, które służyły do wytwarzania blach wzorcowych. Stal C (%) Mn (%) Si (%) Al (%) S(%) P(%) Mo (%) Cr (%) N(%) V(%) Nb (%) I-1 0,070 1,604 0.218 0,028 0,002 0,014 0,313 0,400 0,006 0,150 - I2 0,072 1,592 0,204 0,031 0,003 0,024 0,200 0,414 0,006 0,211 0,017 R1 0.125 1,670 0,205 0,030 0,002 0,025 0,307 0,414 0,004 0,105 - R2 0,102 1,680 0,204 0,023 0,002 0,028 0,315 0,408 0,007 0,205 - Tabela 1 Składy stali (% wagowe). I = według wynalazku. R = wzorzec Wartości podkreślone: niezgodne z wynalazkiem Półprodukty odpowiadające powyższym składom zostały podgrzane do 1220 C i walcowane na gorąco aż do grubości 2,3 mm w zakresie gdzie struktura jest całkowicie austenityczna. Warunki wytwarzania tych stali (temperatura końcowa walcowania T FL, szybkość chłodzenia V R, temperatura zwijania T bob ) są przedstawione w tabeli 2 Stal T FL (C) V R ( C/s) T bob ( 0 C) 11 910 80 520 12 875 80 600 R1 880 80 520 R2 885 100 450 Tabela 2 Warunki wytwarzania Wartości podkreślone: niezgodne z wynalazkiem Wartości mechaniczne rozciągania (granica sprężystości Re, wytrzymałość Rm, wydłużenie przy zerwaniu A) zostały naniesione w tabeli 3 poniżej. Stal Re (MPa) Rm (MPa) Wydłużenie przy zerwaniu A (%) I1 820 880 11 I2 767 831 16 R1 740 835 8 R2 870 927 7,5
- 10 - Tabela 3: Własności mechaniczne (kierunek wzdłużny w stosunku do walcowania) Wartości podkreślone: niezgodne z wynalazkiem Wysokie wartości własności mechanicznych uzyskane są zarówno w kierunku wzdłużnym jak i w kierunku poprzecznym w stosunku do walcowania w przypadku stali według wynalazku. Mikrostruktura stali l1 przedstawiona na figurze 2 zawiera ponad 80% bainitu górnego, pozostałość stanowi bainit dolny i składniki M-A. Całkowita zawartość martenzytu i austenitu resztkowego jest niższa od 5%. Wielkość dawnych ziaren austenitycznych i pakietów łat bainitycznych wynosi około 10 mikrometrów. Ograniczenie wielkości pakietów łat i silna dezorientacja między sąsiednimi pakietami skutkuje dużą odpornością na rozprzestrzenianie się ewentualnych mikropęknięć. Dzięki małej różnicy twardości miedzy poszczególnymi składnikami mikrostruktury, stal jest mało wrażliwa na uszkodzenie podczas cięcia za pomocą procesu mechanicznego. Blacha stalowa R1, o zbyt dużej zawartości węgla i zbyt małej zawartości wanadu, ma niewystarczające wydłużenie przy zerwaniu. Stal R2 ma zbyt wielką zawartość węgla i fosforu, jej temperatura zwijania jest również zbyt niska. W konsekwencji, jej wydłużenie przy zerwaniu wynosi wyraźnie poniżej 10%. Połączenia spawane acetylenowo LASER zostały wykonane w następujących warunkach: moc: 4,5kW, szybkość spawania: 2,5m/mn. Wydłużenie w kierunku wzdłużnym spoin LASER stali l-1 wynosi 17%, podczas gdy wynosi 10 i 13% odpowiednio w przypadku stali R-1 i R-2. Te wartości prowadzą, szczególnie w przypadku stali R1, do trudności podczas tłoczenia połączeń spawanych. Blachy stalowe 11 według wynalazku były również cynkowane w następujących warunkach: po grzaniu do 680 C, blachy zostały schłodzone do 455 C, a następnie powleczone ogniowo ciągle w kąpieli Zn w tej temperaturze i w końcu schłodzone do temperatury otoczenia. Własności mechaniczne blach cynkowanych są następujące: Re=824MPa, Rm=879MPa, A=12%. Te własności są praktycznie identyczne jak te należące do blachy niepowleczonej, co oznacza, że mikrostruktura stali według wynalazku jest bardzo stabilna wobec cykli termicznych galwanizacji. Przykład 2: Blacha stalowa 1-1, wytwarzana z zastosowaniem parametrów określonych w tabeli 2 dla tej stali, została wycięta w taki sposób, aby uzyskać płytki do tłoczenia. Po grzaniu do temperatur T od 400 do 690 0 C, wygrzewaniu w tych temperaturach podczas 7 lub 10 minut i tłoczeniu na ciepło w odpowiednich temperaturach rzędu 350 C lub 640 C, uzyskane części zostały schłodzone przy szybkości V R o wielkości 25 C/s lub 100 C/s, aż do temperatury otoczenia. Szybkość V' R określa średnią szybkość chłodzenia między temperaturą T i temperaturą otoczenia. Wytrzymałość mechaniczna Rm tak otrzymanych części przedstawiona jest w tabeli 4:
- 11 - Chłodzenie 25 C/s Chłodzenie 100 C/s Grzanie: 400 C- 7 minut 880 MPa 875MPa Grzanie: 400 C- 10 minut 875 MPa 885MPa Grzanie: 690 C- 10 minut 810MPa 810MPa Tabela 4: Wytrzymałość Rm uzyskana po tłoczeniu na ciepło w różnych warunkach Części tłoczone według warunków wynalazku mają więc małą wrażliwość na zmiany warunków wytwarzania: po grzaniu do 400 C, końcowa wytrzymałość zmienia się niewiele (10 MPa), kiedy czas trwania grzania i/lub szybkość chłodzenia są zmieniane. Nawet przy grzaniu do 690 C, wytrzymałość uzyskanej części wynosi powyżej 800 MPa. W stosunku do początkowej mikrostruktury, odnotowuje się niewielkie wydzielanie dodatkowe węglików. Struktura pozostaje praktycznie identyczna jak struktura blachy nietłoczonej na ciepło, jak to przedstawia figura 3 odnosząca się do części grzanej do 400 C przez 7 minut i następnie tłoczonej przy 380 C. W ten sposób wynalazek umożliwia wytwarzanie blach lub części o osnowie bainitycznej, bez nadmiernego dodatku kosztownych składników. Łączą one wysoką wytrzymałość i dużą plastyczność. Blachy stalowe według wynalazku są stosowane użytecznie do wytwarzania części konstrukcyjnych lub elementów wzmacniających w dziedzinie motoryzacji i w przemyśle ogólnym. Sporządziła i zweryfikowała Grażyna Palka Rzecznik patentowy
- 12 - Zastrzeżenia patentowe 1. Blacha lub część stalowa, walcowana na gorąco, o wytrzymałości powyżej 800 MPa, o wydłużeniu przy zerwaniu powyżej 10%, której skład ma zawartości wyrażone wagowo: 0,050% C 0,090% 1% Mn 2% 0,015% Al 0,050% 0,1 % Si 0,3 % 0,10% Mo 0,40% S 0,010% P 0,025% 0,003% N 0,009% 0,12% V 0,22% Ti 0,005% Nb 0,020% i opcjonalnie Cr 0,45% a pozostały skład jest złożony z żelaza i z nieuniknionych zanieczyszczeń wynikających z wykonawstwa, przy czym mikrostruktura wymienionej blachy lub wymienionej części zawiera we frakcji powierzchniowej co najmniej 80% bainitu górnego, ewentualne dopełnienie składa się z bainitu dolnego, martenzytu i austenitu resztkowego, a suma zawartości martenzytu i austenitu resztkowego wynosi poniżej 5%. 2. Blacha stalowa lub część według zastrzeżenia 1, znamienna tym, że skład wspomnianej stali ma zawartość wyrażoną wagowo: 0,050% C 0,070% 3. Blacha stalowa lub część według zastrzeżenia 1, znamienna tym, że skład wspomnianej stali ma zawartość wyrażoną wagowo: 0,070% <C 0,090% 4. Blacha stalowa lub część według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 3, znamienna tym, że skład wspomnianej stali ma zawartość wyrażoną wagowo: 1,4% Mn 1,8% 5. Blacha stalowa lub część według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 4, znamienna tym, że skład wspomnianej stali ma zawartość wyrażoną wagowo: 0,020% Al 0,040 %
- 13-6. Blacha stalowa lub część według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 5, znamienna tym, że skład wspomnianej stali ma zawartość wyrażoną wagowo: 0,12% V 0,16% 7. Blacha stalowa lub część według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 6, znamienna tym, że skład wspomnianej stali ma zawartość wyrażoną wagowo: 0,18% Mo 0,30% 8. Blacha stalowa lub część według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 7, znamienna tym, że skład wspomnianej stali ma zawartość wyrażoną wagowo: Nb 0,005 % 9. Blacha stalowa lub część według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 8, znamienna tym, że skład wspomnianej stali ma zawartość wyrażoną wagowo: 0,20% Cr 0,45% 10. Blacha lub część stalowa według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 9, znamienna tym, że wspomniana blacha lub wspomniana część jest pokryta powłoką na bazie cynku lub na bazie aluminium. 11. Sposób wytwarzania blachy stalowej, walcowanej na gorąco, o wytrzymałości powyżej 800 MPa, o wydłużeniu przy zerwaniu powyżej 10%, według którego: - dostarcza się stal o składzie według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 9, - dokonuje się wytop półproduktu z tej stali, - doprowadza się wspomniany półprodukt do temperatury powyżej 1150 C, - walcuje się na gorąco wspomniany półprodukt aż do temperatury T FL w zakresie temperatur, w którym mikrostruktura stali jest całkowicie austenityczna, dla otrzymania blachy, następnie - schładza się wspomnianą blachę tak, że szybkość chłodzenia V R jest zawarta między 75 i 200 0 C/s, a następnie - zwija się wspomnianą blachę w temperaturze T bob zawartej między 500 i 600 0 C 12. Sposób wytwarzania blachy stalowej, walcowanej na gorąco, według zastrzeżenia 11, znamienny tym, że temperatura końcowa walcowania T FL jest zawarta między 870 i 930 C 13. Sposób wytwarzania blachy stalowej, walcowanej na gorąco, według zastrzeżenia 11 albo 12, znamienny tym, że szybkość chłodzenia V R jest zawarta między 80 i 150 C/s 14. Sposób wytwarzania, według którego blacha wytwarzana według któregokolwiek z zastrzeżeń 11 do 13 jest trawiona, następnie opcjonalnie wygładzana, a następnie powlekana cynkiem lub stopem cynku albo aluminium lub stopem aluminium. 15. Sposób wytwarzania blachy stalowej według zastrzeżenia 14, znamienny tym, że wspomniana powłoka jest wykonywana ogniowo w sposób ciągły. 16. Sposób wytwarzania części tłoczonej na ciepło, znamienny tym, że: - dostarcza się blachę stalową według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 10 lub wytwarzaną za pomocą sposobu według któregokolwiek z zastrzeżeń 11 do 15, następnie
- 14 - - wycina się wspomnianą blachę dla uzyskania płytki do tłoczenia, następnie - ogrzewa się częściowo lub w całości wspomnianą płytkę do tłoczenia do temperatury T zawartej między 400 i 690 0 C, w której wykonuje się wygrzewanie o czasie trwania krótszym niż 15 minut dla uzyskania podgrzanej płytki do tłoczenia, a następnie - tłoczy sie wspomnianą płytkę do tłoczenia, podgrzaną do temperatury zawartej między 350 i T-20 C, dla uzyskania części, a następnie - chłodzi się wspomnianą część do temperatury otoczenia z szybkością V R 17. Sposób wytwarzania według zastrzeżenia 16, znamienny tym, że szybkość V R jest zawarta między 25 i 100 C/s 18. Zastosowanie blachy stalowej, walcowanej na gorąco, według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 10 lub wytwarzanej zgodnie ze sposobem według któregokolwiek z zastrzeżeń 11 do 17, dla wytwarzania części konstrukcyjnych lub elementów wzmacniających, w dziedzinie motoryzacji. Sporządziła i zweryfikowała Grażyna Palka Rzecznik patentowy
- 15 -
- 16 -