СТАЛЬНОЕ ИЗДЕЛИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ОТ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ СТАЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ
STEEL PRODUCT FOR PROTECTING ELECTRICAL COMPONENTS FROM MECHANICAL DAMAGE AND APPLICATION THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к стальному изделию для защиты электрических деталей от механического повреждения. В частности, изобретение относится к применению такого стального изделия в качестве защиты для подверженных опасности аварии электросистем и электрических деталей в автомобилях по п. 1 формулы изобретения.
Уровень техники
Подверженными опасности аварии электрическими деталями могут быть находящиеся в автомобиле накопители энергии, такие как высоковольтные аккумуляторные батареи, находящие применение в электромобилях. Такие аккумуляторные батареи размещены в стабильных ящиках, чтобы при авариях защитить их от повреждения в результате деформации и возможного короткого замыкания с окружающими металлическими частями автомобиля и, тем самым, от опасности пожара. Точно так же электросистемы или электрические детали с высоким напряжением должны быть защищены от коротких замыканий, чтобы предотвратить последующие повреждения в результате пожара.
Официальный бюллетень ЕС (ст. 94 глава 5.2.8.2 «Вытекание электролита») регулирует предотвращение вытекания электролита.
В уровне техники раскрыты различные возможности защиты аккумуляторных батарей для электромобилей от деформации и короткого замыкания.
В DE 102010006514 А1 описана необходимость защиты ящика/держателя аккумуляторной батареи от нагрузок при аварии. Здесь предусмотрено устройство, поворачивающее и/или смещающее ящик аккумуляторной батареи из зоны удара/деформации. Реализовать эту меру очень сложно и дорого, и это связано с увеличением массы необходимой механики.
Из DE 102011077385 А1 известна крепежная конструкция для ящика автомобильной аккумуляторной батареи, которая способна при воздействии силы удара сзади предотвратить короткое замыкание аккумуляторной батареи. Для этого крепежная конструкция за счет смещения/движения вперед целенаправленно разъединяет токоведущие части и прерывает цепь тока. Также эта мера очень сложна в реализации и не обеспечивает надежную защиту самой аккумуляторной батареи от короткого замыкания с электропроводящими деталями.
В DE 102012004135 А1 описан ящик для тяговой аккумуляторной батареи с корпусом чашеобразной конструкции из верхней и нижней чаш из пластика, причем верхняя чаша в целях электромагнитного экранирования снабжена электропроводящим слоем. Чаши на выбор могут быть дополнительно снабжены электропроводящим слоем также внутри. Однако это не может обеспечить защиту от возможных коротких замыканий в случае аварии. Также деформационная способность пластика в случае аварии очень ограничена, чтобы эффективно защитить аккумуляторную батарею от повреждения.
Из DE 102009037138 А1 также известен корпус чашеобразной конструкции, причем здесь нижняя чаша состоит из двух деталей с внутренней чашей из пластика и внешней чашей либо из пластика, либо из металла, которая с геометрическим или материальным замыканием соединена с нижней чашей. Также здесь недостаточно обеспечена механическая и электрическая защита аккумуляторной батареи.
Однако именно характеризующийся сильной конкуренцией автомобильный рынок, заставляет производителей постоянно искать пути снижения расхода топлива при сохранении максимально возможного комфорта и безопасности пассажиров. При этом именно у электромобилей наряду с повышением мощности аккумуляторных батарей решающую роль играет снижение веса всех компонентов, чтобы увеличить запас хода автомобиля.
Кроме того, необходимо реализовать также способствующее пассивной безопасности пассажиров поведение отдельных деталей при высоких статических и динамических нагрузках в процессе работы и в случае аварии. Поэтому при пассивной безопасности защите высокоэнергетической аккумуляторной батареи от электрического короткого замыкания и возникающей в результате этого потенциальной опасности пожара придается особое значение.
С помощью названных известных мер пока еще нельзя реализовать недорогим и снижающим вес образом достаточную механическую защиту электрической энергоаккумулирующей системы от деформации и электрического короткого замыкания.
Раскрытие изобретения
В основе изобретения лежит задача создания стального изделия для защиты электрических деталей от механического повреждения, в частности электрической энергоаккумулирующей системы в автомобилях, которое обеспечивало бы, с одной стороны, соблюдение требований к безопасности при аварии, а, с другой стороны, – защиту от электрического короткого замыкания в случае деформации. Кроме того, это стальное изделие должно меньше весить и быть оптимальным в изготовлении.
Эта задача решается посредством стального изделия признаками п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются объектом зависимых пунктов.
Техническое решение, согласно изобретению, включает в себя стальное изделие для защиты электрических деталей от механического повреждения и обусловленного этим электрического короткого замыкания, изготовленное из легкой конструкционной стали в виде горяче- или холоднокатаной полосы, листа или трубы с 6-30 мас.% марганца, до 12,0 мас.% алюминия, до 6,0 мас.% кремния, 0,04-2,0 мас.% углерода, а также дополнительно с одним или несколькими элементами хром, титан, ванадий, ниобий, бор, цирконий, молибден, никель, медь, вольфрам, кобальт до 5 мас.% каждый и в сумме до 10 мас.%, остальное железо, включая обычные, сопутствующие стали элементы, причем стальное изделие, по меньшей мере, с одной, обращенной позднее к электрическим деталям стороны снабжено диэлектрическим покрытием.
Стали с высоким содержанием марганца в смысле изобретения отличаются частично стабилизированной смешанной структурой γ-твердого раствора с определенной энергией дефекта упаковки с частично множественным TRIP-эффектом, который превращает наведенное напряжением или растяжением изменение гранецентрированного γ-твердого раствора (аустенит) в ε-мартенсит (гексагонально самая плотная шаровая упаковка), а затем при дальнейшей деформации – в объемно-центрированный α-мартенсит и остаточный аустенит. Высокая степень превращения достигается в результате TRIP-свойств (Transformation Induced Plasticity – пластичность, наведенная превращением) и TWIP-свойств (Twinning Induced Plasticity – пластичность, наведенная двойникованием) стали.
Многочисленные опыты показали, что при комплексном взаимодействии между Al, Si и Mn наибольшее значение придается содержанию углерода. Во-первых, оно повышает энергию дефекта упаковки, а, во-вторых, расширяет метастабильную область аустенита. Этим можно оказать влияние в широких пределах на индуцированное деформацией образование мартенсита и связанное с этим упрочнение, а также вязкость.
За счет добавления других легирующих элементов, таких как Cr, Ti, V, Nb, B, Zr, Mo, Ni, Cu, W, Co с содержанием до 5,0 мас.% каждый и в сумме до 10,0 мас.%, можно, кроме того, целенаправленно устанавливать специфические для материала свойства.
Например, помимо повышенного добавления Al до 12,0 мас.% добавление Co, Mo или V вызывает повышение жаропрочности.
Повышенная жаропрочность предпочтительна, например, в случае высокой температурной нагрузки, например в случае пожара, т.к. цельность емкости поддерживается дольше, чем у известных до сих пор, содержащих α’-мартенсит TRIP-сталей.
Особенно предпочтительные свойства из комбинации высокой прочности, деформируемости, коррозионной стойкости и изготавливаемости могут достигаться тогда, когда сталь имеет следующий химический состав (в мас.%):
Mn: 9-18
С: 0,07-1,0
Al: 0,04-4
Si: 0,04-4
Cr: 0,04-4
Предпочтительными в отношении коррозионной стойкости оказались минимальное содержание хрома 2,0 мас.% и его максимальное содержание 4,0 мас.%. При добавлении менее 2,0 мас.% хром не отказывает никакого решающего влияния на коррозионную стойкость. Образуется твердый раствор, а ответственное за коррозионную стойкость покрытие оксидом хрома не может образоваться. При добавлении хрома более 4,0 мас.% после длительной стойкости может образоваться хрупкая сигма-фаза. Напротив, при добавлении хрома от 0,12 до < 2,0 мас.% может значительно повыситься вязкость предложенного стального изделия и стабилизироваться аустенит в стали с высоким содержанием марганца.
Особые свойства в отношении разливаемости, горячей и холодной деформируемости, а также вязкости могут предпочтительно устанавливаться, если легирующие элементы Мо (0,2-1 мас.%), Cr (0,12-2 мас.%) и Mn (12-17 мас.%) устанавливаются в массовых долях в комбинации с С (0,3-0,8 мас.%), причем, согласно изобретению, аустенитное состояние стали еще гарантировано. Содержание Al (1-3 мас.%) и Si (0,5-2,5 мас.%) согласовано в отношении оптимальной разливаемости и небольшой склонности к водородной хрупкости стали.
Другие улучшения свойств материала достигаются за счет целенаправленного добавления меди и/или хрома. При добавлении меди, по меньшей мере, 0,1, предпочтительно, по меньшей мере, 0,3 мас.% стабилизируется ε-мартенсит, и улучшается оцинковываемость. Кроме того, медь повышает коррозионную стойкость стали. Также хром стабилизирует ε-мартенсит и повышает коррозионную стойкость.
Таким образом, изобретение сочетает прекрасную способность материала поглощению энергии и упрочнению с надежной электрической изоляцией для защиты от коротких замыканий в случае деформации.
Чтобы отвечать этим требованиям, сталь должна иметь минимальный условный предел текучести 500 МПа, минимальный предел прочности при растяжении Rm 800 МПа и минимальное относительное удлинение при разрыве А80 25%.
За счет очень хорошей способности к формоизменению стали можно, несмотря на ее высокую прочность, реализовать изготовление комплексных деталей, например защитных ящиков для защиты электрических энергоаккумуляторов, из небольшого числа отдельных частей в противоположность обычным сегодня конструкциям (использование плоских плит, которые приходится трудоемким образом соединять (сваривать/свинчивать)).
Дополнительно, по меньшей мере, обращенная к энергоаккумулятору сторона защитного ящика защищена для предотвращения коротких замыканий в случае деформации электроизолирующим покрытием, которое наносится впоследствии или же предпочтительно еще перед формоизменением в виде пленки непрерывным проходным способом на полученную стальную полосу, например на существующих установках для покрытия полос.
Это покрытие обладает в качестве функциональной пленки корозионно-стойкими свойствами к кислоте (например, к электролиту аккумуляторной батареи) и диэлектрическими свойствами. Толщина покрытия может составлять в зависимости от постановки задачи в отношении диэлектрических и антикоррозионных свойств, например, 0,05-0,5 мм и представлять собой одно- или многослойное строение.
При однослойном строении покрытие состоит предпочтительно из пластика. Многослойное строение покрытия может отвечать предпочтительно самым разным требованиям в отношении электрической изоляции и коррозионной стойкости. Покрытие может состоять из пластикового слоя и металлического слоя, например металлической фольги, причем толщина отдельных слоев в зависимости от требования также может варьироваться.
Металлическая чаша защитного ящика из стали с высоким содержанием марганца служит, в частности, для механической защиты энергоаккумулятора и электромагнитного экранирования. К тому же материал обладает предпочтительно парамагнитными свойствами. Кроме того, достигается уменьшение массы деталей за счет уменьшающих плотность легирующих элементов марганца, алюминия и кремния.
Предложенное стальное изделие равносильно, тем самым, интеграции функций. Оно обеспечивает защиту от чрезмерной деформации в результате аварии и вызванного этим короткого замыкания, а также от электромагнитных эффектов и электромагнитной совместимости.
Преимущества изобретения заключаются, тем самым, в усовершенствовании защиты от повреждения аккумуляторных батарей в случае деформации автомобиля или энергоаккумулятора и неконтролируемых коротких замыканий, а также в предупреждении опасности в результате пожара или вытекания жидкостей из аккумуляторной батареи.
Вместе с тем достигается уменьшение массы деталей вследствие уменьшения плотности стали с высоким содержанием марганца. Кроме того, обеспечиваются изготовление очень сложных неплоских деталей путем формоизменения из одного или нескольких листов или труб и, тем самым, более высокая свобода оформления при конструировании и интегрировании аккумуляторной батареи в кузов. Кроме того, реализуются возможности формоизменения при применении стали с высоким содержанием марганца.
Осуществление изобретения
В целом, при получении стального листа в качестве полуфабриката жидкая сталь непрерывно разливается в слябы толщиной 50-400 мм, а затем прокатывается до требуемого конечного размера, как правило 2-5 мм. Помимо энергии для прокатки требуется дополнительная энергия для повторного нагрева стали в печах между этапами процесса.
При традиционном производстве стали с помощью технологии непрерывного литья слябов существуют значительные проблемы по получению высококачественных стальных листов. Причинами этого являются, в основном, расслоение легирующих элементов (макроликвация), образование пустот во время затвердевания (усадочные раковины), образование крупного зерна и массивное загрязнение порошковым флюсом вследствие высокого содержания Al.
Особенно предпочтительным для предложенной легкой конструкционной стали оказалось производство с помощью технологии непрерывной разливки в полосу, которая известна, например, из ЕР 1699582 В1. Производство легкой конструкционной стали для предложенного стального изделия обеспечивается за счет принципиально измененной технологии непрерывной разливки в полосу, при которой жидкая сталь разливается толщиной 6-15 мм непосредственно в горизонтально движущуюся со скоростью разливки специальную полосу, а затем прокатывается. За счет небольшой толщины разливки требуются заметно более короткие интервалы времени для установления распределения температуры перед непосредственно следующим процессом прокатки в линии.
Помимо полос в качестве полуфабриката из полученных таким образом полос можно изготавливать также предпочтительно трубы путем формования и последующей сварки, снабжаемые затем непроводящим покрытием, которое также может быть выполнено одно- или многослойным.
Из изготовленных таким образом стальных изделий изготавливаются затем детали для защиты от механических повреждений для электрических энергоаккумулирующих систем, электрических установок или приборов. Это могут быть, например, корпуса, контейнеры или клетки из листа и/или труб.
Помимо получения путем непрерывной разливки в полосу предложенный стальной сплав может применяться также предпочтительно в качестве литейного материала, например для деталей очень сложной геометрии, которые нельзя изготовить путем формоизменения.
Преимущество предложенной легкой конструкционной стали для предложенного стального изделия следует усматривать в том, что за счет целенаправленного состава сплава и выбора параметров процесса, таких как степень формоизменения и термообработка, может быть покрыт широкий спектр требований к прочности и вязкости, причем пределы прочности при растяжении возможны до 1400 МПа.
Изобретение подходит, в частности, для заключения в кожух высокоэнергетических автомобильных аккумуляторных батарей, однако применяемая для этого легкая конструкционная сталь не ограничена этим, а может применяться, разумеется, везде там, где электрические установки и детали должны быть защищены от механического повреждения, а электрические короткие замыкания и связанные с этим опасности – предотвращены.
Такими областями применения могут быть, например, машиностроение или строительство электростанций или оборонная техника.
Также предложенными стальными изделиями могут быть неподвижные, т.е. прочно установленные, защитные конструкции, такие как контейнеры, ящики, клетки и т.д., а также соответствующие переносные защитные конструкции.
При этом предложенное стальное изделие может выполнять несколько защитных функций. Защитная функция может относиться, например, в случае ящиков для аккумуляторных батарей к защите аккумуляторной батареи от механического повреждения и электрического короткого замыкания, а также к защите от вытекающих из нее жидкостей, таких как электролит. В этом случае стальное изделие выполнено в виде не проницаемого для жидкости корпуса.