СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНОЙ ДЕТАЛИ ИЗ ФОРМОВАННОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ И ДЕТАЛЬ, ИЗГОТОВЛЕННАЯ ТАКИМ СПОСОБОМ
METHOD FOR MANUFACTURE OF WELDED PART OF MOLDED HIGH-STRENGTH STEEL AND PART MADE BY SUCH A METHOD

Изобретение относится к способу изготовления сварной детали, при котором горячекатаный стальной продукт из высокопрочной стали с толщиной материала не менее 1.5 мм, формуют в деталь, а затем на этой детали выполняют сварные соединения посредством сварки плавлением. Изобретение также относится к сварной детали, причём горячекатаный стальной продукт из высокопрочной стали с толщиной материала не менее 1.5 мм сформован в деталь.
Жесткая конкуренция на автомобильном рынке вынуждает производителей автомобилей постоянно искать решения, в частности, по снижению расхода топлива при сохранении максимально возможного комфорта и безопасности пассажиров. При этом, решающую роль играют, с одной стороны, снижение веса всех деталей автомобиля и, с другой стороны, по возможности оптимальные свойства отдельных компонентов кузова и шасси при высоких статических и динамических нагрузках во время эксплуатации, а также в случае аварии. Поставщики исходных материалов стараются учитывать это требование посредством уменьшения толщины стенок за счёт использования высокопрочных и сверхпрочных сталей при одновременном улучшении характеристик деталей в процессе изготовления и эксплуатации. Поэтому, эти стали должны удовлетворять сравнительно жестким требованиям в отношении прочности, растяжимости, ударной вязкости, потребления энергии, усталостной прочности, а также их эксплуатационной прочности и обрабатываемости, например, при холодной штамповке, сварке и/или обработке поверхности.
Из-за высоких требований в отношении коррозионной защиты, поверхности этих сталей должны быть выполнены с возможностью частого нанесения на них соответствующих антикоррозионных слоев, например, состоящих из цинка, при этом используются как обычное горячее цинкование, так и высокотемпературное цинкование.
В прошлом, для этой области применения в основном использовались обычные стали с относительно большой толщиной листа, закаленные в воде высокопрочные мелкозернистые стали или многофазные стали.
Недостатком использования обычных сталей является большой вес деталей. Альтернативные сверхпрочные многофазные стали имеют недостатки, такие как худшая пригодность для сварки и худшая формуемость из-за высокой основной твёрдости. Производство стали, закаленной в воде, дорогое и поэтому часто является неэкономичным.
Если такие стали подвергаются последующей термообработке, например, сваркой, в результате чего температура в области сварного шва превышает температуру Ac3 (около 900°C), эти стали теряют свою первоначальную прочность. В случае многократной термообработки, как, например, при пересечении сварных швов в соответствующей области термообработки, это явление повторяется, и сталь постепенно теряет прочность.
В случае высокопрочных многофазных сталей, эта потеря прочности становится ещё более заметной после соответствующей термообработки, поскольку исходная доля мартенситной фазы теряется при нагреве выше температуры преобразования Ac3, если охлаждение не контролируется и не усиливается.
Это особенно невыгодно в случае динамически напряженных сварных частей или компонентов шасси, поскольку это означает, что требуемые усталостная и эксплуатационная прочность в соответствии с техническими характеристиками больше не достигаются. Эти детали могут быть изготовлены из стальных полос или стальных листов или же из сварных, например, сварных труб с высокочастотной индукцией (HFI) или даже бесшовных труб.
Таким образом, в рамках настоящего изобретения, стальные полосы, стальные листы, сварные или бесшовные трубы далее обозначены, как стальные продукты.
Поэтому, воздушно-закаливаемые стальные материалы были разработаны в качестве альтернативы известным сталям и преодолевают недостатки известных сталей таким образом, что требуемые свойства материала теперь достигаются исключительно охлаждением стали на воздухе, например, после термообработки детали. Для этих сталей, хорошая способность к холодной штамповке (например, Rp0.2: < 420 МПа при A80: ≥ 25%) достигается в мягко отожженном состоянии в сочетании с высокой прочностью и твёрдостью сформованной детали в закаленном на воздухе состоянии (например, Rm: > 800 МПа). Термообработка может быть выполнена, например, нагревом в печи или высокотемпературным цинкованием.
В случае стальной полосы из воздушно-закаливаемой стали, сталь после горячей прокатки охлаждается так быстро, по меньшей мере в участках на воздухе, в частности в неподвижном воздухе, что возникает эффект закалки на воздухе. В предшествующем уровне техники, до сих пор было необходимо достигать способности к холодной штамповке для производства формованных деталей посредством последующего процесса мягкого отжига, например в процессе периодического отжига или посредством гомогенизационного отжига. В качестве альтернативы, способность к холодной штамповке также может быть сохранена после горячей прокатки, если соответствующим образом туго смотанный рулон медленно охлаждается, возможно, в специальном теплоизолированном ящике из листового металла.
То же самое относится к бесшовным горячекатаным трубам из предшествующего уровня техники, которые подвергаются процессу мягкого отжига после охлаждения на воздухе и закалки для восстановления способности к холодной штамповке.
Опубликованный патентный документ DE 102 21 487 A1 раскрывает использование воздушно-закаливаемого стального материала для формованных деталей в конструкции легких транспортных средств, с содержанием основных элементов: C (0.09 - 0.13 вес.%), Si (0.15 - 0.30 вес.%), Mn (1.10 - 1.60 вес.%), Cr (1.0 - 1.6 вес.%), Мо (0.30 - 0.60 вес.%) и V (0.12 - 0.25 вес.%), при этом остаток - это железо с типичными сопутствующими элементами.
Несмотря на то, что эта концепция сплава на основе Cr-Mo-V обеспечивает механические свойства материала, необходимые для указанной области применения в закаленном на воздухе состоянии, а также хорошую устойчивость к отпуску и способность к цинкованию, относительно высокое содержание Cr, от 1.0 до 1.6 вес.%, является недостатком и может вызывать нежелательные выделения карбида хрома в сварном шве, в частности, в случае HFI-сварки, часто используемой для производства труб. Эти выделения могут привести к образованию трещин в сварном шве при дальнейшей обработке сварной трубы путем формовки или при сильной механической нагрузке на сварную деталь во время эксплуатации и, таким образом, могут привести к преждевременному выходу детали из строя. Кроме того, относительно высокое содержание хрома приводит к увеличению затрат.
Патентный документ EP 0 576 107 B1 раскрывает воздушно-закаливаемую сталь с пониженным содержанием Cr, которая используется для производства бесшовных, не оцинкованных конструкционных труб, например, в качестве труб для усиления дверей в автомобилестроении. Концепция сплава на основе Mn-Si-Ti-B включает в качестве основных элементов: C (0.15 - 0.30 вес.%), Mn (2.05 - 3.35 вес.%), Si (0.50 - 0.80 вес.%), Cr (0.5 - 1.0 вес.%), Мо (макс. 0.6 вес.%), Ti (0.01 - 0.05 вес.%), В (0.0015 - 0.0035 вес.%) и N (0.002 - 0.015 вес.%), при этом остаток - это железо с типичными сопутствующими элементами.
Недостатком этой стали, которая известна для производства бесшовных труб, является то, что при использовании такой концепции сплава общая свариваемость стали ограничена относительно высоким содержанием C и Mn, а способность к цинкованию горячим погружением или высокотемпературным цинкованием очень существенно ограничена также относительно высоким содержанием Si до 0.8 вес.%.
Кроме того, исследования показали, что высокая устойчивость этой известной стали к отпуску также не гарантируется, особенно из-за недостатка ванадия, и поэтому при более высоких температурах, например ≥ 550°C, как это происходит, например, при высокотемпературном цинковании, прочность падает существенно ниже требуемых для закаливаемой на воздухе стали значений.
Известно, что достаточная устойчивость к отпуску требует, в частности, образования достаточного количества Cr-, Mo- и/или V-карбидов или карбонитридов, которые предотвращают скольжение дислокаций при повышенных температурах за счёт выделения на границах зерен. Эту процедуру также называют вторичной закалкой.
Опубликованный патентный документ DE 44 46 709 A1 раскрывает использование воздушно-закаливаемой стали для конструкционных полых профилей, состоящих из бесшовных труб горячего производства, например для элементов усиления дверей. Для этого, используется стальной сплав, содержащий следующие основные элементы: C (0.17 - 0.28 вес.%), Mn (1.30 - 2.50 вес.%), Si (0.30 - 0.49 вес.%), Cr (≤ 0.49 вес.%), Mo (0.20 - 0.40 вес.%), Ni (0.05 - 0.19 вес.%), Ti (0.02 - 0.07 вес.%), B (0.0015 - 0.0050 вес.%), Nb (0.01 - 0.10 вес.%), V (0.01 - 0.10 вес.%) и N (≤ 0.015 вес.%), при этом остаток - это железо с типичными сопутствующими элементами. Кроме того, общее содержание V+Nb+Ti не должно превышать значения 0.15 вес.%.
Эта концепция сплава с добавками Nb и Ni является дорогостоящей для требований, предъявляемых к воздушно-закаливаемой стали, и является проблематичной с точки зрения технологии сварки из-за относительно высокого содержания С. Кроме того, эта сталь имеет содержание кремния от 0.30 до 0.49 вес.%, что имеет решающее значение для способности к цинкованию.
Опубликованный патентный документ WO 99/05336 A1 раскрывает способ изготовления плоского стального продукта сверхвысокой прочности, содержащего бор, при котором стальной сляб сначала нагревают до подходящей температуры и прокатывают в стальную полосу за один или несколько этапов прокатки при первой температуре, при которой аустенит перекристаллизовывается. Затем прокатку продолжают в один или несколько этапов прокатки при второй температуре, ниже первой температуры и выше температуры, при которой аустенит начинает превращаться в феррит во время охлаждения. Затем стальную полосу подвергают закалке до подходящей температуры остановки закалки. После остановки закалки, при температуре остановки закалки, полосу дополнительно охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды (см. реферат). Соответственно, документ WO 99/05336 A1 не предусматривает чистой закалки на воздухе исключительно охлаждением на воздухе, как предлагается в настоящем изобретении.
Опубликованный патентный документ CN 109 402 499 A не раскрывает закалку на воздухе. Напротив, так называемая «обработка медленным охлаждением» проводится в течение 72 часов с использованием охлаждающего ящика из листового металла. Это не следует приравнивать к закалке на воздухе, то есть охлаждению на воздухе.
Опубликованный патентный документ US 2007/267110 A1 раскрывает способ изготовления высокопрочных стальных труб. Способ включает изготовление стального сляба, нагрев сляба до температуры выше 2000°F (~1093°C), прокатку сляба в полосу требуемой толщины при температуре выше начальной температуры Ac3, охлаждение полосы до температуры от 850°F до 950°F (от 454°C до 510°C) для получения преимущественно бейнитной структуры, смотку стальной полосы и формование её в трубу. Дополнительно раскрыто, что после прокатки стальную полосу охлаждают до требуемой температуры (от 850°F до 950°F) с использованием воды. Таким образом, документ US 2007/267110 A1 не раскрывает закаливаемые на воздухе стальные продукты или способ, содержащий этап закалки на воздухе.
В случае известных концепций сплавов, холодная штамповка закаливаемых на воздухе сталей для изготовления детали обычно происходит в состоянии мягкого отжига стального продукта, чтобы обеспечить достаточную способность к холодной штамповке и возможность изготовления деталей со сложной геометрией.
В соответствии с известным уровнем техники, под холодной штамповкой следует понимать следующие варианты процесса:
a) Прямое производство соответствующих деталей из мягкой горячей полосы путем глубокой вытяжки или аналогичной обработки с последующим возможным отпуском для повышения прочности детали. Обработка закаливаемой на воздухе стали отпуском будет состоять из повторного нагрева детали после формования выше температуры Ac3 и охлаждения на воздухе (закалка на воздухе), а также отжига или отпуска до повышенной температуры ниже температуры Ac3.
б) Дальнейшая обработка в трубы с соответствующими процессами вытяжки и отжига. Сами трубы затем формуют в детали, например, гибкой, формованием с высоким внутренним давлением (IHPF) или аналогичным способом, а затем подвергают отпуску.
в) Дальнейшая обработка горячей полосы в холодную полосу с интегрированным (периодическим) процессом отжига. Затем холодную полосу обрабатывают глубокой вытяжкой или аналогичным способом, как указано в пункте а).
Все воздушно-закаливаемые стали, известные, например, из опубликованных патентных документов DE 10 2004 053 620 A1, DE 100 23 488 A1, DE 44 46 709 A1 или WO 2001/000351 A1 также имеют общее то, что после формования в деталь, состояние отверждения на воздухе с более высокой прочностью затем должно быть восстановлено путем последующей термообработки, например, посредством высокотемпературного цинкования. Само формование может происходить при комнатной или повышенной температуре, например, до температуры Ac1 (полутеплой) или до температуры преобразования Ac3 или выше, если это технически необходимо.
Однако, производство сварных деталей, таких как, например, части или компоненты шасси из мягко отожженной стальной полосы, из известных воздушно-закаливаемых сталей, является дорогостоящим, поскольку стальная полоса в виде горячей полосы (горячекатаное состояние) или в виде холодной полосы (холоднокатаное состояние) должна подвергаться дополнительной термообработке после горячей или холодной прокатки, как описано выше, для достижения достаточной способности к холодной штамповке для производства деталей.
Дополнительная термообработка может привести к значительному нежелательному искажению размеров детали, в частности, в случае плоских деталей.
С другой стороны, в случае сварных компонентов шасси, состоящих из мягко отожженной стальной полосы из воздушно-закаливаемой стали, достигаемые усталостные прочности всё ещё недостаточны из-за вышеописанного «размягчения» в области сварного шва, вызванного падением твёрдости и прочности.
Поэтому, целью настоящего изобретения является предоставление способа изготовления сварной детали, в частности динамически напряженного компонента шасси из высокопрочной стали, с помощью которого преодолеваются упомянутые недостатки, в частности, посредством которого в области сварного шва достигаются сопоставимые механические свойства, в частности усталостная прочность, как и в незатронутом основном материале, предпочтительно даже с более высокой прочностью, чем в основном материале.
Также должна быть предоставлена сварная деталь с соответствующими свойствами.
В соответствии с идеей изобретения, эта цель достигается способом, при котором сначала получают горячекатаный стальной продукт из высокопрочной воздушно-закаливаемой стали с толщиной материала не менее 1.5 мм, при этом горячекатаный стальной продукт имеет следующий химический состав, вес.%:
C: 0.03 до 0.4, предпочтительно 0.06 до 0.12, особенно предпочтительно 0.08 до 0.10
Mn: 1.0 до 4.0, предпочтительно 1.80 до 2.20, особенно предпочтительно 1.80 до 2.00
Si: 0.09 до 2.0, предпочтительно 0.22 до 0.34, особенно предпочтительно 0.25 до 0.30
Al: 0.02 до 2.0, предпочтительно 0.02 до 0.06, особенно предпочтительно 0.02 до 0.05
P: <=0.1, предпочтительно ≤ 0.020
S: <= 0.1, предпочтительно ≤ 0.010
N: 0.001 до 0.5, предпочтительно 0.0030 до 0.0125, особенно предпочтительно 0.0030 до 0.0080
Ti: 0.01 до 0.2, предпочтительно 0.010 до 0.050, особенно предпочтительно 0.020 до 0.030
Cr: 0.05 до 2.0, предпочтительно 0.60 до 1.0, особенно предпочтительно 0.70 до 0.80
B: 0.001 до 0.1, предпочтительно 0.0015 до 0.0060, особенно предпочтительно 0.0025 до 0.0035
Mo: 0.01 до 1.0, предпочтительно 0.10 до 0.40, особенно предпочтительно 0.15 до 0.30
V: 0.01 до 0.2, предпочтительно 0.05 до 0.09, особенно предпочтительно 0.05 до 0.08
в качестве опции:
Ni: 0.02 до 1.0
Nb: 0.01 до 0.1
при этом остаток - это железо с типичными сопутствующими стали элементами.
Полученный горячекатаный стальной продукт затем подвергают закалке на воздухе исключительно охлаждением на воздухе, после чего горячекатаный и закаленный на воздухе стальной продукт имеет минимальный предел текучести Rp0.2 450 МПа, минимальную прочность на разрыв Rm 700 МПа и/или удлинение при разрушении A5 не менее 6%, а затем непосредственно формуют в деталь в закаленном на воздухе состоянии без обычно требуемого мягкого отжига. На последнем этапе выполняются сварные соединения посредством сварки плавлением на детали. Обработка детали отпуском, состоящая из нагрева всей детали до температур выше Ac3, охлаждения и отпуска, не выполняется.
Таким образом, сварную деталь получают, в частности, без мягкого отжига перед холодной штамповкой и без окончательной обработки отпуском.
В данном контексте указывается, что окончательное выполнение сварных соединений на детали не следует понимать как обработку отпуском. Хотя температуры выше температуры Ac3 достигаются в точках локально желаемым образом вокруг сварного шва во время сварки, эти сварные соединения не служат для повышения прочности всего материала детали с точки зрения обработки отпуском.
Что касается диапазона значений в вес.%, например, C: 0.03 до 0.4 вес.%, то начальное и конечное значения считаются включенными в диапазон.
Формование в деталь может быть выполнено с использованием типичных методов холодной листовой штамповки, например, посредством глубокой вытяжки, фальцовки, гибки, профилирования рулонов или отбортовки.
Предпочтительно, формование проводят как холодную штамповку при температуре от -5°C до 40°C, предпочтительно при комнатной температуре от 15°C до 25°C.
Однако, если это представляется технически необходимым, то данную процедуру также можно проводить при повышенных температурах до температуры Ac1, до температуры Ac3 или выше температуры Ac3 до 1000°C.
В соответствии с изобретением, горячекатаный стальной продукт перед холодной штамповкой имеет минимальный предел текучести Rp0.2 более 450 МПа или даже более 600 МПа и/или минимальную прочность на разрыв Rm 700 МПа или даже более 800 МПа. Для целей изобретения, это считается определением свойства высокой прочности. Даже в закаленном на воздухе состоянии, горячекатаный стальной продукт имеет удлинение при разрушении A5 не менее 6%, предпочтительно не менее 13%.
Также в соответствии с изобретением предоставляется сварная деталь, которая изготавливается методом холодной штамповки из горячекатаного и закаленного на воздухе стального продукта из воздушно-закаливаемой высокопрочной стали с толщиной материала не менее 1.5 мм, при этом стальной продукт имеет следующий химический состав, вес.%:
C: 0.03 до 0.4, предпочтительно 0.06 до 0.12, особенно предпочтительно 0.08 до 0.10
Mn: 1.0 до 4.0, предпочтительно 1.80 до 2.20, особенно предпочтительно 1.80 до 2.00
Si: 0.09 до 2.0, предпочтительно 0.22 до 0.34, особенно предпочтительно 0.25 до 0.30
Al: 0.02 до 2.0, предпочтительно 0.02 до 0.06, особенно предпочтительно 0.05
P: <= 0.1, предпочтительно ≤ 0.020
S: <= 0.1, предпочтительно ≤ 0.010
N: 0.001 до 0.5, предпочтительно 0.0030 до ≤ 0.0125, особенно предпочтительно 0.0030 до 0.0080
Ti: 0.01 до 0.2, предпочтительно 0.010 до ≤ 0.050, особенно предпочтительно 0.020 до ≤ 0.030
Cr: 0.05 до 2.0, предпочтительно 0.60 до ≤ 1.0, особенно предпочтительно 0.70 до ≤ 0.80
B: 0.001 до 0.1, предпочтительно 0.0015 до ≤ 0.0060, особенно предпочтительно 0.0025 до ≤ 0.0035
Mo: 0.01 до 1.0, предпочтительно 0.10 до ≤ 0.40, особенно предпочтительно 0.15 до ≤ 0.30
V: 0.01 до 0.2, предпочтительно 0.05 до ≤ 0.09, особенно предпочтительно 0.05 до ≤ 0.08
в качестве опции:
Ni: 0.02 до 1.0
Nb: 0.01 до 0.1
при этом горячекатаный и закаленный на воздухе стальной продукт в закаленном на воздухе состоянии, перед холодной штамповкой в деталь, имеет минимальный предел текучести Rp0.2 450 МПа или предпочтительно более 600 МПа, минимальную прочность на разрыв Rm 700 МПа или предпочтительно более 800 МПа и/или удлинение при разрушении A5 не менее 6%, предпочтительно 13% и
при этом горячекатаный стальной продукт (2, 3), закаленный на воздухе исключительно охлаждением на воздухе, имеет сложную фазовую микроструктуру с содержанием бейнита более 50%, предпочтительно более 80% и особенно предпочтительно более 90%, и
при этом горячекатаный, закаленный на воздухе и сформованный стальной продукт (2, 3) в области зоны термического влияния сварного соединения (4) имеет сложную фазовую микроструктуру с содержанием бейнита более 50%, предпочтительно более 80% и особенно предпочтительно более 90%.
Типичные толщины листа горячекатаных стальных продуктов в соответствии с изобретением составляют от 1.5 мм до 25 мм, предпочтительно до 15 мм.
В качестве методов сварки плавлением используются все методы, распространенные в промышленном производстве, такие как лучевая сварка, в частности сварка лазерным лучом, или методы дуговой сварки металлическим электродом, такие как, например, сварка в защитном газе.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, для изготовления детали используется горячекатаная стальная полоса или стальной лист для холодной штамповки, которые после горячей прокатки и охлаждения имеют закаленное на воздухе состояние. Поскольку способность к холодной штамповке горячекатаной и закаленной на воздухе стальной полосы или стального листа достаточно высока в силу концепции сплава, мягкий отжиг для получения достаточной способности к холодной штамповке, таким образом, больше не требуется, и затраты на производство детали тем самым значительно снижаются.
Неожиданно, исследования показали, что закаливаемая на воздухе сталь в соответствии с изобретением обладает достаточно высокой способностью к холодной штамповке в закаленном на воздухе состоянии. Таким образом, удлинения при разрушении A5 равные 13% и более были определены в испытаниях для листов толщиной до 25.0 мм. Горячекатаные стальные продукты могут быть предоставлены с толщиной материала от 1.5 мм до 25.0 мм, предпочтительно до 15 мм, и, таким образом, покрывать типичный спектр толщины в области шасси.
Таким образом, можно обходиться без мягкого отжига стального продукта после горячей прокатки. То же самое относится к холодной штамповке горячекатаных бесшовных труб для производства деталей.
Кроме того, исследования механических свойств сварной детали показали, что в области сварного шва тепло, вводимое при сварке, и последующее охлаждение на воздухе больше не размягчают область сварного шва, поскольку свойства стали по отверждению на воздухе предотвращают снижение твёрдости и прочности в этой области, и предпочтительно даже повышают твёрдость и прочность. Таким образом, механические свойства, а также усталостная прочность сварных компонентов шасси находятся, по меньшей мере, на сопоставимом уровне в области сварного шва и в прилегающем незатронутом основном материале стального продукта. Под сопоставимым уровнем следует понимать отклонения между основным материалом и областью сварного шва в диапазоне +- 20% по отношению к прочности на разрыв или твёрдости. Вместо только сопоставимого уровня, можно также достичь более высокого уровня со значениями до +50%, a также и до +100%. Это обеспечивает более высокую передачу напряжений в области зоны термического влияния.
Для достижения высокой усталостной прочности или эксплуатационной прочности выгодна не только предпочтительно повышенная твёрдость области сварного шва, но и возникающая, преимущественно мелкозернистая бейнитная микроструктура для зоны термического влияния, а также для сварного шва или для сварочного материала, что дополнительно зависит от выбранной сварочной проволоки.
Таким образом, в соответствии с изобретением, горячекатаный стальной продукт имеет сложную фазовую микроструктуру с содержанием бейнита более 50%, предпочтительно более 80% и особенно предпочтительно более 90%. В соответствии с изобретением, эта микроструктура также распространяется на область зоны термического влияния сварного соединения.
Далее изобретение объясняется более подробно с помощью испытания, проиллюстрированного и оцененного на фигурах на чертеже:
На фигуре 1 показан участок сварной детали 1 в соответствии с изобретением в виде поперечного сечения,
На фигуре 2 показаны качественные результаты испытания на твёрдость по типу сетки на участке, показанном на фигуре 1,
На фигуре 3 показана микрофотография микроструктуры области основного материала сварной детали 1,
На фигуре 4 показана микрофотография микроструктуры области зоны термического влияния сварной детали 1,
На фигуре 5 показана микрофотография микроструктуры области линии плавления сварной детали 1,
На фигуре 6 показана микрофотография микроструктуры области сварного шва сварной детали 1.
На фигуре 1 показан участок сварной детали 1 в соответствии с изобретением в виде поперечного сечения типичного соединения внахлест. Сварная деталь 1 в виде компонента шасси состоит, по сути, из первого нижнего стального продукта 2, в частности плоского стального продукта, на который частично накладывается дополнительный второй верхний стальной продукт 3, в частности плоский стальной продукт. Стальные продукты 2, 3 имеют толщину материала 3 мм. Верхний стальной продукт 3 соединен с поверхностью 2o нижнего стального продукта 2 в области передней кромки 3v посредством сварного соединения 4 в виде соединения внахлест.
На фигуре 2 качественно показан результат испытания на твердость в виде сетки на всем проиллюстрированном участке сварной детали 1. Начиная с твёрдости нижнего стального продукта 2 в базовом состоянии, показано как первая область 5a твёрдости с вертикальной штриховкой, зона термического влияния примыкает в направлении сварочного материала 4а или расплава обычным образом в стальных продуктах 2, 3 и показана как вторая область 5b твёрдости без штриховки или рисунка. На основе свойств стали по отверждению на воздухе, вторая область 5b твёрдости упрочняется по сравнению с первой областью 5а твёрдости. Сварочный материал 4а сварного соединения 4 имеет третью область 5с твёрдости, которая характеризуется точечным рисунком. Эта третья область 5с твёрдости регулируется по твёрдости в зависимости от выбора сварочной проволоки и, как правило, будет находиться в области твёрдости стального продукта 2, 3 в базовом состоянии.
Определенные значения измерений для первой области 5a твёрдости находятся в диапазоне от 280 до 320 HV 0.1, для второй области 5b твёрдости - в диапазоне от 430 до 470 HV 0.1 и для третьей области 5c твёрдости - в диапазоне от 230 до 270. HV 0.1.
На фигурах 3 - 6 показаны микрофотографии микроструктуры из разных областей сварной детали 1. Все микрофотографии микроструктуры протравлены ниталем в связи с подготовкой образцов и проиллюстрированы в масштабе 1: 500.
На фигуре 3 показана микрофотография микроструктуры области основного материала сварной детали 1. В этом месте присутствует сложная фазовая микроструктура, содержащая 5% феррита, 3% перлита, 90% бейнита и 2% мартенсита. Средний размер зерен феррита составляет 13.5 мкм.
На фигуре 4 показана микрофотография микроструктуры области зоны термического влияния сварной детали 1. Видна микроструктура, состоящая из бейнита с некоторым количеством феррита. Средний размер зерен феррита составляет 13.5 мкм.
На фигуре 5 показана микрофотография микроструктуры области линии плавления сварной детали 1. В этом месте микроструктура на 100% состоит из бейнита.
На фигуре 6 показана микрофотография микроструктуры области сварного шва 4a сварной детали 1. Микроструктура, которую можно увидеть, представляет собой бейнит с вкраплениями легкой сетки феррита и бейнита.
Как уже объяснялось выше, сварная деталь 1 в соответствии с изобретением достигает высокой усталостной прочности или эксплуатационной прочности благодаря преимущественно мелкозернистой бейнитной микроструктуре, которая возникает в области сварного соединения 4, как для зоны термического влияния, так и для сварного шва 4а. Основной материал сварной детали уже присутствует в виде сложной фазовой микроструктуры с преобладающей долей бейнита.
Предлагаемая в соответствии с настоящим изобретением высокопрочная, воздушно-закаливаемая сталь для конструкции легких транспортных средств также отличается тем, что эта концепция сплава обеспечивает превосходную свариваемость в случае типичных методов сварки, таких как, например, сварка в защитном газе, пайка в защитном газе или лазерная сварка, без недостатков, имеющихся у известных воздушно-закаливаемых сталей. Высокочастотная индукционная сварка (HFI-сварка) также не представляет проблем, без нежелательного выделения карбида хрома в сварном шве.
Содержание C и Mn, которое также снижено по сравнению с известной воздушно-закаливаемой сталью для бесшовных труб, обеспечивает превосходную общую свариваемость при одновременно превосходных формовочных свойствах.
В то же время, пониженное содержание Si обеспечивает способность стали к цинкованию, а добавление V обеспечивает устойчивость к отпуску.
Исследования показали, что содержание Cr, которое имеет решающее значение для эффекта закалки на воздухе, может быть снижено до значения, которое не является критическим для предотвращения выделения карбида хрома во время HFI-сварки, если одновременно улучшить отверждение стали на воздухе с помощью концепции сложного сплава на основе Cr-Mo-Ti-B.
В соответствии с изобретением, концепция сплава для стального продукта основана на знании того, что, в отличие от известной стали для бесшовных труб, где азот должен быть полностью связан титаном, чтобы избежать выделения нитрида бора и, таким образом, обеспечить эффективность добавленного бора, азот также связан другими легирующими элементами, такими как Cr или Mo.
Поэтому больше нет абсолютной необходимости определять сверхстехиометрическую добавку титана по отношению к азоту. Добавление ванадия вызывает выделение карбонитридов ванадия типа V (C, N) при более высоких температурах отпуска, что препятствует снижению прочности за счёт вторичной закалки.
Однако, недостатком этих концепций сплавов на основе Mn-Si-Ti-B является чрезмерно высокое содержание Si, которое необходимо для достижения высоких значений прочности, но затрудняет цинкование изделий. Кроме того, при температурах около 550°C, прочность материала падает значительно ниже требуемых значений, и поэтому устойчивость к отпуску также не гарантируется.
На основе этих выводов, была определена предлагаемая в соответствии с изобретением концепция сплава, уже описанная выше, согласно которой оказался выгодным следующий диапазон значений, вес.%. Соответствующие спецификации для диапазонов значений могут быть выполнены отдельно или в совокупности:
C 0.06 до 0.12
Mn 1.8 до 2.20
Si 0.22 до 0.34
Al 0.02 до 0.06
P ≤ 0.020
S ≤ 0.010
N 0.0030 до 0.0125
Ti 0.010 до 0.050
Cr 0.60 до 1.0
B 0.0015 до 0.0060
Mo 0.10 до 0.40
V 0.05 до 0.09
Особенно выгодные технологические и компонентные свойства достигаются, когда имеется следующий диапазон значений в вес.%:
C 0.08 до 0.10
Al 0.02 до 0.05
Si 0.25 до 0.30
Mn 1.80 до 2.00
P ≤ 0.020
S ≤ 0.010
N 0.0030 до 0.0080
Ti 0.020 до 0.030
Cr 0.70 до 0.80
B 0.0025 до 0.0035
Mo 0.15 до 0.30
V 0.05 до 0.08
Результаты показывают высокую устойчивость стали к отпуску при температурах до 700°C.
Как показали исследования сварных деталей из горячекатаного и закаленного на воздухе стального продукта в соответствии с изобретением, такую сталь можно успешно использовать не только в автомобильной промышленности, но и во всех областях применения, где требуется хорошая способность к холодной штамповке в сочетании с высокой прочностью стали или усталостной прочностью и эксплуатационной прочностью при динамическом напряжении сварных деталей. Соответственно, областью применения таких деталей может быть, например, автомобильная промышленность, в частности, для компонентов шасси, производство строительного оборудования, производство бытовой техники или химическое приборостроение. В автомобильной промышленности возможно использование в качестве компонента шасси, бампера или поперечного элемента.
Преимущества такой воздушно-закаливаемой стали в соответствии с изобретением перечислены ниже:
- очень хорошая способность к холодной штамповке в закаленном на воздухе состоянии,
- очень хорошая свариваемость в мягком и закаленном на воздухе состоянии,
- очень хорошая HFI-свариваемость,
- возможность эффективного нанесения покрытия с помощью типичных методов нанесения покрытий, таких как нанесение катодного покрытия погружением (CDC), горячее цинкование и высокотемпературное цинкование,
- использование для сварных деталей, подверженных высоким статическим и динамическим нагрузкам, особенно в шасси транспортных средств,
- экономичная концепция сплава.
Перечень ссылочных позиций
1 сварная деталь
2 нижний стальной продукт
3 верхний стальной продукт
4 сварное соединение
4a сварной шов
5a первая зона твёрдости
5b вторая зона твёрдости
5c третья зона твёрдости