ЕМКОСТЬ ИЗ ОБЛЕГЧЕННОЙ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ ДЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ
TANK OUT OF LIGHTENED STRUCTURAL STEEL FOR ENERGY SOURCE INSTALLATION

Изобретение относится к емкости из облегченной конструкционной стали для содержания источника энергии, предназначенной, в частности, для автомобилей, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Такие емкости содержат в себе, например, жидкости, такие как бензин, дизельное топливо, сжиженный газ или газообразные энергоносители, например водород, и должны отвечать высоким стандартам безопасности, в частности, в случае мобильного применения, например, в бензовозах, легковых автомобилях, на судах, а также в качестве источников энергии на спутниках или космических ракетах.
Если даже изобретение описано применительно, в частности, к емкостям для содержания источника энергии, то облегченная конструкционная сталь не ограничивается только применением для этой цели, а может, само собой разумеется, применяться и в других сферах, например в автомобилестроении, машиностроении, для стальных конструкций.
Именно автомобильный рынок, за который идет интенсивная борьба, вынуждает изготовителей постоянно искать решения по снижению среднего расхода топлива автомобиля при обеспечении максимального комфорта и защищенности пассажиров. При этом снижение веса всех компонентов автомобиля играет, с одной стороны, решающую роль, однако, с другой стороны, должны быть обеспечены свойства отдельных деталей, повышающие пассивную защиту пассажиров при высоких статических и динамических нагрузках во время эксплуатации и в случае столкновения. Кроме того часто такие емкости имеют очень сложную форму для того, чтобы можно было максимально использовать имеющееся монтажное пространство и увеличить объем заправки.
Стальные емкости для содержания источника энергии, как, например, автомобильные баки, известны, в частности, из DE 102005016492 А1. Для снижения веса емкости ее изготавливают из сталей высокой прочности, благодаря чему возможно уменьшение толщины стенки. В случае использования упомянутых здесь сортов стали повышенной прочности присутствует опасность, например, при хранении водорода или водородсодержащих газов при низких температурах, заключающаяся в вызываемых водородом трещинах вследствие внутренних напряжений или водородном охрупчивании, из-за чего в случае столкновения емкость может лопнуть и из-за выходящей из нее среды могут наступить серьезные последствия.
В основу изобретения положена задача создания облегченной конструкционной стали для емкостей для содержания источника энергии, которая при столкновении обладала бы высокой пластичностью и предупреждала бы образование вызываемых водородом трещин вследствие внутренних напряжений или водородную охрупчивость детали. Указанная задача решается за счет облегченной конструкционной стали согласно независимому пункту формулы изобретения.
Согласно предложенному техническому решению для емкости для содержания источника энергии применяется облегченная конструкционная сталь следующего химического состава (вес.%):
C
0,04-2%
Mn
14-30%
Al
1,5-12%
Si
0,3-3%
Cr
0,12-6%,
а также дополнительно один или несколько из следующих элементов:
Ti, V, Nb, B, Zr, Mo, Ni, Cu, W, Co, P, N с содержанием каждый до 5% и в сумме до 10%, остальное - железо и обычно сопутствующие стали элементы, при этом конкретный состав легирующих элементов выбирается с учетом ограничения доли α'-мартенсита до или после деформации величиной не более 3% с тем, чтобы эквивалент α'-мартенсита составлял согласно
0,1* вес.% Mn + вес.% C + 0,5* вес.% Al + 0,05* вес.% Si
от 3,4 до 10,5.
В последние годы отмечены большие достижения в области разработки так называемых облегченных конструкционных сталей, характеризующихся низким удельным весом при одновременно высоком пределе прочности и вязкости (например, EP 0489727 В1; EP 0573641 B1; DE 19900199 А1), обладающих высокой пластичностью и поэтому представляющих собой большой интерес для автомобилестроения.
В таких сталях, являющихся аустенитными в исходном состоянии, благодаря большой доле легирующих компонентов с удельным весом значительно ниже удельного веса железа (Mn, Si, Al) обеспечивается оптимальное для автомобильной промышленности снижение веса при сохранении прежней конструкции.
Такие известные облегченные конструкционные стали имеют частично стабилизированную структуру с γ-твердым раствором при заданной энергии дефекта упаковки частично с множественным эффектом TRIP (Transformation Induced Plasticity - обусловленная трансформацией пластичность), которым вызванное напряжением или растяжением превращение гранецентрированного γ-твердого раствора (аустенита) переходит в ε-мартенсит (гексагональную плотнейшую шаровую упаковку), который затем при последующей деформации превращается в объемноцентрированный α'-мартенсит и остаточный аустенит.
Высокая степень деформации стали достигается благодаря ее свойствам TRIP, TWIP (Twinning Induced Plasticity - обусловленная двойникованием пластичность) и SIP (Shear band Induced Plasticity - обусловленная полосой сдвига пластичность).
Как показали эксперименты, низко легированные традиционные стали TRIP и высоко легированные стали TRIP с низким содержанием алюминия обнаруживают из-за своей структуры и химического состава склонность к водородному охрупчиванию, которая препятствует использованию облегченной конструкционной стали в емкостях для содержания источника энергии. При этом вследствие собственных напряжений в материале и в зависимости от структуры и прочности может произойти вызванное водородом отсроченное охрупчивание, следствием которого явится растрескивание.
При экспериментах с обладающими эффектом TRIP сталями неожиданно было установлено, что присутствие α'-мартенсита в стали оказывает значительное влияние на подверженность водородному охрупчиванию. При ограничении его содержания до величины не более 3% отрицательных эффектов более не наблюдалось.
При этом, с одной стороны, конкретный состав легирующих элементов в облегченной конструкционной стали влияет на образование α'-мартенсита, с другой же стороны, и на деформацию, которой может быть подвергнута сталь или стальной лист.
Состав легирующих элементов необходимо выбирать так, чтобы в стали присутствовала по возможности стабильная аустенитная фаза. В облегченных конструкционных сталях, содержащих значительную метастабильную аустенитную фазу, метастабильный аустенит преобразуется в результате наведенных механических напряжений во вредный для описанного применения α'-мартенсит (эффект TRIP).
При появлении эффекта TRIP происходит, в зависимости от состава легирующих элементов, образование фазы α'-мартенсита частично через метастабильную фазу α'-мартенсита. В тех случаях, когда материал деформируется, например, напряжением сжатия, более плотно упакованная фаза α-мартенсита может присутствовать в соответствии с принципом минимальной необходимости и после деформации и снятия напряжения переходить в фазу α'-мартенсита.
При таком переходе фазы α-мартенсита в фазу α'-мартенсита должно происходить выделение водорода из-за низкой растворимости, что приводит либо в атомарном, либо в рекомбинированном отношении к ослаблению материала и возможно к растрескиванию.
При добавке алюминия и/или кремния в сплав с содержанием углерода и марганца происходит дестабилизация фазы α'-мартенсита. Это снижает опасность водородного охрупчивания и расширяет сталевару свободу действия в случае превышения максимального содержания водорода, и разлитый сплав может быть отнесен к допустимой категории. Чем меньше отбраковка, тем выше выход и, следовательно, рентабельность способа.
Независимо от воздействия добавки алюминия и/или кремния содержание углерода является решающим фактором в предложенном виде сплава, так как он стабилизирует аустенитную фазу и вытесняет водород из свободных мест решетки.
Например, сплавы с содержанием:
0,7% С, 15% Mn, 2,5% Al, 2,5% Si, 0,12% Cr,
0,4% C, 18% Mn, 2,5% Al, 2,5% Si, 0,12% Cr,
а также
1,0% C, 22% Mn, 9% Al, 0,6% Si, 0,12% Cr,
обладают превосходными механическими свойствами и не содержат или содержат лишь в очень небольшом количестве α'-мартенсит, поэтому они исключительно пригодны для емкостей для содержания источника энергии, в частности, для резервуаров под водород.
При экспериментах с полученной глубокой вытяжкой полой заготовкой, сопровождавшихся коррозионной нагрузкой, сплав согласно изобретению показал высокую стойкость против вызываемой водородом коррозии под напряжением, которая была существенно выше, чем у содержащих α'-мартенсит сталей TRIP в сопоставимых типовых условиях (прочность, среда, напряженное состояние и пр.).
В соответствии с этим сплав согласно изобретению превосходно подходит, например, для емкостей для содержания водорода и других содержащих водород или сероводород сред.
Другое преимущество по сравнению с облегченными конструкционными сталями с α'-мартенситом проявляется в случае перенапряжений, вызванных, например, повышенным рабочим давлением или столкновением. Стали с составом легирующих элементов согласно изобретению при максимальном количестве α'-мартенсита 3% способны поглощать на основе преобладающих свойств упрочнения TWIP/SIP по сравнению со сталями TRIP энергию более высокого уровня до того, как произойдет поломка детали.
Поэтому приведенные выше свойства облегченной конструкционной стали согласно изобретению предопределяют ее для изготовления емкостей для содержания источника энергии, выполненных мобильными, например, установленными в автомобилях, бензовозах, на судах или также на спутниках.
Добавкой дополнительных легирующих элементов: Ti, V, Nb, B, Zr, Mo, Ni, Cu, W, Co, P, N при содержании каждого до 5% и в сумме до 10% могут быть кроме того целенаправленно заданы специфические свойства материала. Так, например, наряду с увеличенной добавкой алюминия до 12% добавка Co, Mo или V повышает теплостойкость.
Повышенная теплостойкость имеет преимущество, например, при высокой температурной нагрузке, например, при пожаре, так как обеспечивается более длительно целостность емкостей, чем при известных в настоящее время содержащих α'-мартенсит сталях TRIP.
Оптимальными в отношении коррозионной стойкости оказались содержания хрома: минимальное 2% и максимальное 6%. При добавке хрома в количестве менее 2% он не оказывает решающего влияния на коррозионную стойкость. Образуется твердый раствор, а ответственное за коррозионную стойкость покрытие из оксида хрома не образуется. При добавке хрома в количестве свыше 6% может образоваться после длительного срока службы хрупкая фаза сигма. Если же требуется существенно улучшить только пластичность емкости, то хром добавляется в количестве от 0,12 до <2%.
Кроме того могут изготавливаться емкости со сложными структурами путем деформации предпочтительно из облегченной конструкционной стали согласно изобретению по пункту 5 формулы изобретения, имеющей относительное удлинение при разрыве А80, равное >40%.
Дополнительное улучшение свойств материала в отношении водородного охрупчивания может быть достигнуто в предпочтительном варианте осуществления изобретения, в котором содержание легирующих элементов при ограничении доли α'-мартенсита находится в пределах, указанных в пункте 4 формулы изобретения.
Облегченная конструкционная сталь с указанным составом легирующих элементов имеет так называемую структуру TRIPLEX, т.е. присутствует трехфазная микроструктура. Каппа-карбиды, нанодисперсно распределенные в структуре сталей TRIPLEX, обладают высокой стойкостью против водородного охрупчивания.