СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ШАССИ ИЗ МИКРОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩЕЙСЯ УЛУЧШЕННОЙ ДЕФОРМИРУЕМОСТЬЮ В ХОЛОДНОМ СОСТОЯНИИ
METHOD FOR PRODUCTION OF CHASSIS PARTS FROM MICROALLOYED STEEL, CHARACTERIZED BY IMPROVED DEFORMABILITY IN COLD STATE

Изобретение относится к способу производства деталей шасси из микролегированной стали, характеризующейся улучшенной деформируемостью в холодном состоянии, произведенных из холодноформованных пластин в соответствии с пунктом 1 патентной формулы изобретения, где пластины характеризуются улучшенной деформируемостью в холодном состоянии у кромок, деформационно-упрочненных после механического отделения. Компоненты шасси могут включать, например, кронштейны моста, поперечные рулевые тяги, многорычажные задние мосты, оси полунезависимых подвесок, передние мосты, рулевые тяги, а также продольные и поперечные поперечины.
Производство компонентов шасси в результате холодной формовки известно, например, из документа DE 10 2008 060 161 A1. В данном документе раскрывается способ производства компонента шасси, характеризующегося увеличенной усталостной прочностью. Для холодной формовки используют определенный материал, который образован из (в % (масс.)): углерода (С): от 0,22 % до 0,25 %, кремния (Si): от 0,20 % до 0,30 %, марганца (Mn): от 1,20 % до 1,40 %, фосфора (Р): как максимум 0,020 %, серы (S): как максимум 0,010 %, алюминия (Al): от 0,020 % до 0,060 %, бора (В): от 0,0020 % до 0,005 %, хрома (Cr): от 0,10 % до 0,20 %, титана (Ti): от 0,020 % до 0,050 %, молибдена (Мо): как максимум 0,35 %, меди (Cu): как максимум 0,10 %, никеля (Ni): как максимум 0,30 %, остатка в виде железа и примесей, получающихся в результате выплавки. Для увеличения усталостной прочности компонента полуфабрикат подвергают азотирующей обработке. К деформируемости в холодном состоянии у кромок листового металла, деформационно-упрочненных после механического отделения, не обращаются.
Производство компонента шасси обычно включает использование пластины из листового металла, преимущественно из горячекатаного штрипса, которую первоначально разрезают по размеру при комнатной температуре. Технологические процессы резки в большинстве случае включают использование технологических процессов механического отделения, подобных, например, лазерной резке. Технологические процессы термоотделения являются значительно более дорогостоящими в сопоставлении с технологическими процессами механического отделения, так что их область применения представляет собой исключение.
После резки отрезанную пластину располагают в формообразующей оснастке и профилируют для получения конечного компонента шасси в результате проведения стадий одноступенчатой или многоступенчатой формовки.
До холодной формовки проводят различные дополнительные стадии изготовления, подобные, например, операциям прибивки и резки в отношении пластины и получению отверстий для уменьшения массы или проходов для проводки и тому подобному, и в некоторых случаях во время преобразования в отношении перфорированных участков проводят объединенные операции завальцовки или раздачи отверстий.
Во время холодной формовки кромки после резки, в особенности при отбортовке или завальцовке, находятся под воздействием конкретной деформации, например, во время формирования буртиков для перфорированных пластин.
На кромках после резки может обнаруживаться наличие различных изначально присутствующих повреждений. С одной стороны, в результате деформационного упрочнения материала, обусловленного механическим отделением и представляющего собой полное превращение вплоть до отделения материала. С другой стороны, может встречаться эффект надреза, который обуславливается топографией поверхности после резки.
В частности, поэтому при включении использования материалов высокопрочных и сверхвысокопрочных листовых металлов в зависимости от фактической композиции сплава и микроструктуры во время последующего превращения встречается увеличенная вероятность растрескивания в областях кромок данных кромок после резки. Упомянутые изначально присутствующие повреждения на кромках листового металла могут в результате приводить к преждевременному разрушению во время следующих далее операций формовки или во время перемещения. При использовании испытания на раздачу отверстия в соответствии с документом ISO 16630 проводят рассмотрение поведения при формовке для кромок листовых металлов после резки применительно к их восприимчивости к растрескиванию кромок.
Испытание на раздачу отверстия включает введение круглого отверстия в листовой металл в результате сдвиговой резки, где данное круглое отверстие после этого раззенковывают при использовании конического штампа. Измеряемая переменная включает изменение диаметра отверстия по отношению к первоначальному диаметру, когда встречается первая трещина через листовой металл на кромке отверстия.
В целях сведения к минимуму описанной выше восприимчивости к растрескиванию кромок во время холодной формовки подвергнутых воздействию сдвига или пробивки кромок листовых металлов известны подходы, например, для изменения композиции сплава и переработки материала (например, целевой корректировки бейнитных микроструктур) или применительно к технологическому процессу во время холодной обрезки пластины (например, в результате модифицирования зазора при резке, скорости, многократной обрезки и тому подобного).
Данные меры являются либо дорогостоящими, либо сложными (например, операции многоступенчатой резки, сохранение трехмерных разрезов и тому подобное), либо все-таки не способными обеспечить получение оптимальных результатов.
Из документа DE 10 2009 049 155 A1 также известны нагревание, по меньшей мере, области кромки после резки до определенной температуры и проведение резки при данной температуре таким образом, чтобы улучшить деформируемость кромок после резки и, тем самым, уменьшить или избежать деформационное упрочнение в области кромки после резки. Отрицательный момент в данном случае заключается в потребности в значительных технических и экономических операциях для нагревания листового металла, с одной стороны, а, с другой стороны, в принудительном сочетании нагревания пластины и непосредственно после этого резки, что делает производство менее гибким.
Помимо этого, из документа DE 10 2011 121 904 A1 известны холодная формовка подвергнутого воздействию сдвига листового металла, а после этого локальное нагревание при использовании лазера деформационно-упрочненных областей до проведения дальнейших операций формовки при наличии цели, заключающейся в параллельном размягчении. В частности, невыгодным в данном случае является локальное размягчение, которое представляет собой неоднородность в отношении использования зачастую высокопрочного или сверхвысокопрочного материала, в особенности в ситуациях воздействия напряжения и при воздействии осциллирующего напряжения. Кроме того, неясно то, где точно должно иметь место нагревание, и то, как фактически должно быть реализовано локальное нагревание при его температурном и временном профиле. Кроме того, неясно то, как и в какой степени частичное размягчение способно улучшить деформируемость уже холодносформованного листового металла.
В документе DE 10 2014 016 614 A1 раскрывается способ производства холодноформованого компонента из пластины из листового металла, подвергнутой воздействию сдвига при комнатной температуре, при необязательном проведении при комнатной температуре различных дополнительных стадий производства, таких как, например, операции пробивки отверстий или резки, при котором области листового металла, которые подверглись деформационному упрочнению во время операций резки или пробивки и претерпевают последующую холодную формовку во время производства компонента, нагревают до температуры, составляющей, по меньшей мере, 600°С, и времени воздействия температуры составляет менее, чем 10 секунд. В результате деформируемость в холодном состоянии у данных деформационно-упрочненных кромок листовых металлов должна быть значительно улучшена. Данный технологический процесс находит для себя область применения, помимо всего прочего, в микролегированных сталях. Однако, отсутствуют какие-либо указания на конкретную композицию сплава сталей, раскрытых в данном случае, и на воздействие термообработки на получающуюся в результате микроструктуру.
Поэтому на современном уровне техники имеет место потребность в сложном переделывании отбортованных кромок. Очень большое количество брака при производстве у различных переработчиков является общим местом. В дополнение к этому, реализация сложных геометрий компонента невозможна при использовании материала, известного из немецкого выложенного документа DE 10 2008 060 161 A1, и, таким образом, конструктивная свобода разработки является ограниченной.
Задача настоящего изобретения заключается в предложении способа производства компонентов шасси из микролегированной стали, произведенных из холодноформованных пластин, которые характеризуется улучшенной деформируемостью кромок листовых металлов, деформационно-упрочненных после механического отделения.
В соответствии с положениями изобретения достижения данной цели добиваются при использовании способа, включающего следующие далее стадии:
- получение горячекатаного штрипса или горячекатаного штрипса из листового металла, характеризующихся следующей далее композицией сплава в % (масс.): С: от 0,04 до 0,12, Si: как максимум 0,7, Mn: от 1,0 до 2,2, Р: как максимум 0,02, S: как максимум 0,002, N: как максимум 0,03, V: от 0,005 до 0,5, Nb: от 0,005 до 0,1, Ti: от 0,005 до 0,2, (V + Nb + Ti: как минимум 0,05 и как максимум 0,4) и один или несколько элементов из суммы Cu + Cr + Ni: как максимум 1 (по меньшей мере, 0,0) при этом Cr: как максимум 0,9, Ni: как максимум 0,5, Cu: как максимум 0,5, а также необязательно Мо: как максимум 0,5, остаток в виде железа и примесей, получающихся в результате выплавки,
- резка пластины при комнатной температуре и необязательное осуществление дополнительных операций пробивки или резки для получения выемок, отверстий или проемов на пластине при комнатной температуре,
- нагревание только областей кромок листового металла у пластины, которые были подвергнуты деформационному упрочнению в результате проведения операций резки или пробивки, до температуры, составляющей, по меньшей мере, 700°С, при времени выдержки, составляющем, самое большее, 10 секунд, и последующее охлаждение на воздухе,
- холодная формовка пластины в одну или несколько стадий для получения компонента шасси при комнатной температуре.
Вследствие меньших издержек производства горячекатаный штрипс предпочитается холоднокатаному штрипсу во множестве областей применения.
Преимущество микролегированного горячекатаного штрипса, соответствующего изобретению и характеризующегося упомянутым диапазоном композиции, заключается в том, что в комбинации с термообработкой, соответствующей изобретению, в переходной области к материалу основы формируется в особенности выгодная микроструктура. Данная переходная область также известна под наименованием зоны теплового воздействия. В особенности заслуживают внимание незначительное различие твердости между ожидаемыми составными частями микроструктуры и сравнительно маленькое уменьшение твердости в переходной области в сопоставлении с материалом основы. Данная область является в особенности подверженной трещинообразованию при формировании буртиков. Причина заключается в наличии там высокого напряжения во время формирования буртика, и в то же самое время в противоположность кромке и материалу основы микроструктура имеет тенденцию к негомогенности и поэтому характеризуется сравнительно низким сопротивлением распространению трещины. Что касается негомогенности, то, в частности, формирование больших различий твердости между компонентами фаз является неблагоприятным применительно к сопротивлению растрескиванию. В случае микролегированных сталей, характеризующихся вышеупомянутой композицией, различия твердости между составными частями фаз, в частности, вследствие добавления микролегирующих элементов, уменьшаются, и, таким образом, сопротивление растрескиванию кромок в целом улучшается.
Уменьшение различий твердости между составными частями микроструктуры, в частности, обуславливается заявленными уровнями микролегирующих элементов (V, Nb, Ti). Эффект упомянутых микроэлементов, тем самым, имеет в своей основе, в частности, то, что твердость по своей природе сравнительно мягкого феррита значительно увеличивается в результате образования выделений. Данный эффект известен под наименованием дисперсионного упрочнения. Поскольку обогащенные по углероду твердые составные части микроструктуры (бейнит, мартенсит), которые также должны ожидаться в переходной области, не увеличивают свою твердость тем же самым образом в результате образования выделений, достигается гомогенность различий твердости.
Фактический эффект должен ожидаться только при суммарном уровне содержания V + Nb + Ti: как минимум 0,05. Вследствие определенных характеристик насыщения и по причинам стоимости уровни содержания, большие, чем V + Nb + Ti = 0,4, не являются целесообразными.
В способе, соответствующем изобретению, производят нагревание, по меньшей мере, до Ас1, предпочтительно до более, чем Ас3. В выгодном случае уменьшение продолжительности обработки обычно может быть реализовано в результате нагревания, например, до температуры, на 100°С большей, чем Ас3.
Тем самым, частичное, предпочтительное полное, превращение имеет место в аустените, который преобразуется в результате последующего быстрого охлаждения в мартенсит и/или бейнит. Таким образом, конечная микроструктура в области кромки у кромок, подвергнутых воздействию сдвига, обычно состоит из мартенсита и/или бейнита, а также маленьких долей отпущенной структуры основы. Доля отпущенной микроструктуры основы уменьшается при увеличении расстояния от кромки, в то время как доля первоначальной микроструктуры основы при увеличении расстояния от кромки увеличивается.
Область кромки, подвергнутая обработке в соответствии с изобретением, отличается от состояния после воздействия сдвига помимо изменения микроструктуры тем, что исключается деформационное упрочнение. В общем и целом вновь образованная микроструктура при отсутствии деформационного упрочнения является явно предпочтительной в сопоставлении с микроструктурой в состоянии после воздействия сдвига, включающем деформационное упрочнение, применительно к допустимости растрескивания даже несмотря на возможность демонстрации вновь сформированной микроструктурой слегка меньшей вязкости.
Компоненты шасси представляют собой один пример области применения, в котором обнаруживается высокая потребность в деформируемости плоских областей компонента, а также в кромках, подвергнутых воздействию сдвига. Оптимум деформируемости обеих областей может уже означать решающее преимущество при конструировании геометрий новых компонентов.
При формовке плоских областей компонентов критическая деформируемость может быть представлена при использовании диаграммы предельного формоизменения. Достижения оптимума добиваются при достижении кривой предельного формоизменения наивысшего возможного уровня. Однако, чувствительность к растрескиванию у кромок, подвергнутых воздействию сдвига, не отображается местоположением кривой предельного формоизменения. Как это демонстрируют эмпирические свидетельства, высокий уровень кривой предельного формоизменения зачастую сопровождается высокой чувствительностью к растрескиванию у кромки, подвергнутой воздействию сдвига.
Поэтому достижения оптимума деформирумости в обеих областях можно добиться только в результате объединения способа, соответствующего изобретению, с материалом, соответствующим изобретению, который характеризуется высоким уровнем кривой предельного формоизменения.
Компоненты шасси, произведенные в соответствии с изобретением, демонстрируют преимущество, заключающееся в том, что настоящая композиция сплава для материала характеризуется высоким пределом прочности при растяжении, доходящим вплоть до 1100 МПа.
В дополнение к этому, сталь в выгодном случае характеризуется в особенности высоким деформационным упрочнением, что оказывает положительное воздействие на механические свойства компонента шасси, сформованного в конечном счете.
В комбинации с композицией сплава и с микроструктурой после термообработки, соответствующей изобретению, производятся кромки после резки и/или пробивки и кромки листовых металлов, которые характеризуются в особенности высокой деформируемостью во время испытания на раздачу отверстия при отсутствии трещинообразования на кромках листового металла.
Предложенная обработка областей кромок пластины, подвергнутых воздействию сдвига, которые подвергаются значительному деформированию в холодном состоянии во время формовки компонента шасси, в результате приводит к ощутимому уменьшению трещинообразования в технологическом процессе изготовления.
Как это продемонстрировали испытания, отсутствует необходимость в осуществлении технологического процесса резки при повышенной температуре областей кромок после резки для улучшения способности к раздаче отверстия, но достаточным является нагревание только областей деформационно-упрочненных подвергнутых воздействию сдвига кромок после резки на протяжении неожиданного короткого временного интервала в диапазоне, составляющем менее, чем 10 секунд, обычно заключенном в пределах от 0,1 до 2,0 секунды, до температуры, составляющей, по меньшей мере, 700°С. В соответствии с изобретением это может быть осуществлено при отделении от технологического процесса резки или пробивки и последующих стадий изготовления в любое время до формовки компонента.
Подвод тепла, тем самым, проводится по всей толщине листового металла и в направлении плоскости пластины в области, которая соответствует самой большой толщине листового металла. Продолжительность подвода тепла, тем самым, зависит от типа технологического процесса термообработки.
Само нагревание может быть проведено любым образом, например, по кондуктивному, индукционному механизмам, в результате радиационного нагревания или при использовании лазерной обработки. В особенности хорошо подходящим для использования при термообработке является кондуктивное нагревание, поскольку оно зачастую проводится при производстве автомобилей на примере точечной сварки. В выгодном случае машина для точечной сварки является подходящей для использования, например, при довольно коротких временах воздействия для обработки пробитых отверстий в пластине, в то время как для обработки более длинных участков кромки должны быть рассмотрены индукционный способ, радиационное нагревание или лазерная обработка при более продолжительных временах воздействия.
В целях защиты нагретых областей кромок после резки от окисления выгодное усовершенствование изобретения предусматривает омывание данных областей инертными газами, например, аргоном. Омывание инертным газом, тем самым, имеет место на протяжении продолжительности термообработки, но также по мере надобности может быть использовано, в дополнение к этому, и незадолго перед началом и/или также в течение ограниченного периода времени после выполнения термообработки.
Таким образом, поступление тепла осуществляется только очень концентрированным образом в областях подвергнутых воздействию сдвига кромок после резки и поэтому связывается со сравнительно низким расходованием энергии, в частности, по отношению к технологическим процессам, в которых всю пластину подают на нагревание, или находит себе применение отжиг для снятия напряжений, потребляющий на порядки величины больше времени.
Технологическое окно для температуры, достигаемой в области кромки после резки, является очень большим и покрывает температурный диапазон от 700°С вплоть до температуры солидуса, составляющей приблизительно 1500°С.
Как это также продемонстрировали испытания, исключение деформационного упрочнения самого по себе играет критическую роль для значительного улучшения способности к раздаче отверстия, и второстепенную важность имеют неустранимые неоднородности, такие как, например, поры. Это не зависит от того, будет ли термообработка проведена ниже или выше температуры превращения Ас1.
В случае проведения термообработки выше Ас1 после обработки будет осуществляться превращение в так называемые метастабильные фазы в ходе быстрого охлаждения в результате присутствия окружающего холодного материала в подвергаемых превращению сталях. Получающаяся в результате микроструктура будет отличаться от первоначального состояния применительно к увеличенной прочности.
Как это ни удивительно, но превращение микроструктуры, которое обычно сопровождается увеличением твердости и прочности, не оказывает неблагоприятного воздействия на способность к раздаче отверстия вне зависимости от того, будет ли проведена корректировка в сторону более твердой и менее вязкой микроструктуры в сопоставлении с начальной микроструктурой, так что возможными также становятся и температуры обработки кромок после резки, доходящие вплоть до предельного значения в виде солидуса. В любом случае критическое значение имеет по существу исключение деформационного упрочнения, введенного в результате резки.
В целях достижения целей, соответствующих изобретению, в соответствии с настоящими испытаниями недостаточным является проведение нагревания ниже 700°С на протяжении периода в несколько секунд, поскольку должно иметь место значительное уменьшение дислокаций, введенных в ходе технологического процесса механического разделения.
Нагреванию кромок после резки в соответствии с изобретением до холодной формовки пластины свойственно преимущество в сопоставлении с известными мерами уменьшения восприимчивости кромки к растрескиванию, заключающееся в том, что изменения микроструктуры получаются только в результате термообработки областей кромок, подвергнутых воздействию сдвига, и как правило прочность не уменьшается, а скорее увеличивается. Таким образом, невосприимчивость к растрескиванию кромки в смысле большей способности к раздаче отверстия может быть улучшена с кратностью в диапазоне от коэффициента 2 до коэффициента 5. В промышленной области применения нагревания кромок после резки у микролегированных сталей, соответствующих изобретению, для компонентов шасси значительно увеличенная деформируемость критических областей кромок листового металла, подвергнутых воздействию сдвига, делает возможными значительное уменьшение брака, с одной стороны, а, с другой стороны, исключение прежде необходимых операций сочленения, например, в результате формирования буртиков, которые теперь могут быть проведены при формовке, например, мест опоры.
Стадии способа, соответствующие изобретению, для производства компонентов шасси в комбинации с композицией сплава и микроструктурой микролегированной стали делают возможными более сложные геометрии компонентов и, таким образом, большую свободу разработки при использовании одних и тех же материалов вследствие улучшенной деформируемости областей кромок после резки. В дополнение к этому, как это ожидается, усталостная прочность холодноформованного компонента не уменьшается, а в выгодном случае увеличивается в результате корректировки микроструктуры, которая в сопоставлении с первоначальным состоянием, возможно, является более твердой, но гомогенной.
Термообработка холодноформованных областей кромок после резки может быть проведена совершенно в любое время после технологических процессов резки или пробивки и до формовки пластины или в качестве промежуточной стадии в операциях многоступенчатой формовки пластины для производства компонентов шасси, так что технологические стадии резки или пробивки пластины, термообработка кромок после резки и формовка пластины полностью разделяются друг от друга. Таким образом, производство является намного более гибким, чем это было бы возможным в соответствии с предшествующим уровнем техники при интегрировании модифицирования кромки в результате термообработки.
Вследствие короткой продолжительности обработки в сопоставлении с известными мерами способ может быть интегрирован в качестве промежуточной производственной стадии в серийное производство, которое определяет синхронизацию в диапазоне от 0,1 до 10 секунд. В частности, таким образом, производство компонентов из листового металла в автомобильном секторе в несколько последовательных стадий представляет собой предопределенную область применения.
Преобразование таким образом полученной пластины в выгодном случае также может быть осуществлено при использовании уже существующей формообразующей оснастки в производстве, поскольку какого-либо дополнительного нагревательного оборудования, такого как, например, печи, для нагревания пластины самого по себе не требуется. Это делает возможными еще более рентабельное по издержкам изготовление и вследствие разделения стадий изготовления высокую гибкость в технологическом процессе производства.
Однако, в соответствии с одним выгодным усовершенствованием изобретения нагревание кромок после резки в зависимости от намечаемого технологического процесса производства, если таковое покажется выгодным, также может иметь место непосредственно после технологических процессов механической резки или пробивки или непосредственно до формовки компонента на рабочей стадии, которая объединена с соответствующим технологическим процессом изготовления. Например, устройства для резки и пробивки могут быть снабжены расположенным ниже по ходу технологического потока устройством для термообработки, или же последнее может быть непосредственно расположено по ходу технологического потока выше устройства для формовки, предназначенного для холодной формовки пластины.
Пластина сама в выгодном случае может быть подвергнута прокатке, например, подвижной прокатке при различающихся толщинах, или сочленению исходя из холоднокатаного или горячекатаного штрипса при идентичных или различных толщинах.
Изобретение в выгодном случае может быть использовано для горячекатаных или холоднокатаных стальных штрипсов, характеризующихся пределами прочности при растяжении в диапазоне от 600 МПа до 1100 МПа, которые могут быть снабжены противокоррозионным слоем в качестве металлического и/или органического покрытия. Металлическое покрытие может быть изготовлено, например, из цинка или сплава цинка или магния или алюминия и/или кремния.
Пригодность стальных штрипсов с нанесенными покрытиями объясняется возможностью ограничения обработки области кромки расстоянием до кромки, которое имеет значения, меньшие, чем толщина листового металла, поскольку преобладающая доля пагубного деформационного упрочнения располагается в данной области во время сдвиговой резки. Таким образом, при толщинах листовых металлов с малым числом миллиметров в толщину достаточным может уже оказаться расстояние области до кромки в несколько сотен микрометров, так что, например, на эффективную противокоррозионную защиту металлического противокоррозионного слоя воздействие не оказывается, или оказывается только незначительное воздействие.