СПОСОБ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ
HOT FORMING METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу горячей штамповки, который включает предоставление листа углеродистой стали, покрытого барьерным предварительным покрытием, который улучшает ингибирование адсорбции водорода, и детали, имеющие отличное сопротивление замедленному трещинообразованию. Изобретение особенно хорошо применимо для производства механических транспортных средств.
Уровень техники
Известно, что для некоторых областей применения, особенно в автомобильной промышленности, требуются металлические структуры, которые могут дополнительно облегчаться и упрочняться в случае столкновения, а также имеют хорошую пластичность при волочении. Для этой цели обычно используются стали, обладающие улучшенными механическими свойствами, причем указанная сталь образуется путем холодной и горячей штамповки.
Однако известно, что чувствительность к замедленному трещинообразованию возрастает с увеличением механической прочности, в частности после некоторых операций холодной или горячей штамповки, поскольку высокие остаточные напряжения способны оставаться после деформации. В сочетании с атомарным водородом, возможно, присутствующим в листе углеродистой стали, эти напряжения способны привести к замедленному трещинообразованию, то есть, растрескиванию, которое происходит через некоторое время после самой деформации. Водород может постепенно накапливаться путем диффузии внутри дефектов кристаллической решётки, таких как поверхности раздела матрица - вкрапление частиц, границы двойникования и границы зерен. Именно из-за последних дефектов водород может привести к повреждениям, когда его концентрация достигает критического значения спустя некоторое время. Это запаздывание происходит из-за поля распределения остаточных напряжений и вследствие кинетики диффузии водорода, причем коэффициент диффузии водорода при комнатной температуре является небольшим. Кроме того, водород, локализованный на границе зерен, ослабляет их когезию и способствует появлению замедленных межкристаллитных трещин.
Для преодоления указанных проблем известно обычное предварительное покрытие листа углеродистой стали барьерным предварительным покрытием, содержащим никель и хром, где массовое отношение Ni/Cr находится между 1,5 и 9, чтобы предотвратить адсорбцию водорода внутри стали во время аустенизационной термической обработки.
Например, в патенте WO2017/187255 раскрыт способ горячей штамповки, который включает в себя следующие стадии:
A. предоставление листа углеродистой стали, покрытого барьерным предварительным покрытием, содержащим никель и хром, где массовое отношение Ni/Cr находится между 1,5 и 9,
B. разрезание покрытого листа углеродистой стали, чтобы получить заготовку,
C. термическая обработка заготовки,
D. перемещение заготовки в прессовый штамп,
E. горячая штамповка заготовки с образованием детали,
F. охлаждение детали, полученной на стадии E) с целью получения микроструктуры в стали, которая является мартенситной, или мартенситно-бейнитной, или сделанной, по меньшей мере, из 75% равноосного феррита, от 5 до 20% мартенсита и бейнита в количестве меньше, чем или равным 0%.
В указанной заявке на патент, на стадии C), термическая обработка может быть осуществлена в инертной атмосфере или в атмосфере, содержащей воздух. Все Примеры осуществлены в атмосфере, содержащей азот.
Хотя поглощение водорода во время аустенизационной обработки улучшается, недостаточно получать деталь, имеющую отличное сопротивление замедленному трещинообразованию. Действительно, даже если барьер предварительного покрытия снижает поглощение водорода, все же небольшое количество молекул водорода поглощается листом углеродистой стали.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, целью изобретения является разработка способа горячей штамповки, в котором предотвращается адсорбция водорода в листе углеродистой стали. Изобретение имеет в виду предоставлять деталь, имеющую отличное сопротивление замедленному трещинообразованию, которая может быть получена указанным способом упрочнения при прессовании, включающим горячую штамповку.
Указанная цель достигается путем разработки способа горячей штамповки по пункту 1 формулы изобретения. Кроме того, стальной лист может включать характеристики пунктов 2 - 24.
Изобретение также защищает деталь по пункту 25. Эта деталь также может включать характеристики пунктов 26 - 33.
В заключение изобретение защищает применение указанной детали для производства механических транспортных средств по пункту 34.
Осуществление изобретения
Другие характеристики и преимущества изобретения станут очевидными из следующего подробного описания изобретения.
Будут определены следующие термины:
- все проценты “%” определены по массе и
- “лист углеродистой стали” означает стальной лист, имеющий меньше, чем 10,5% хрома по массе. Например, нержавеющая сталь не включена в определение листа углеродистой стали.
В рамках изобретения может быть выгодно использована любая сталь. Однако, в случае, когда требуется сталь, имеющая высокую механическую прочность, в особенности для деталей структуры механических транспортных средств, может быть выгодно использована сталь, имеющая более высокое сопротивление разрыву до 500 МПа, преимущественно между 500 и 2000 МПа до или после термообработки. Предпочтительно лист углеродистой стали имеет следующий массовый состав: 0,03%≤ C≤ 0,50%; 0,3%≤ Mn≤ 3,0%; 0,05% ≤ Si ≤ 0,8%; 0,015% ≤ Ti ≤ 0,2%; 0,005% ≤ Al ≤ 0,1%; 0% ≤ Cr ≤ 2,50%; 0% ≤ S ≤ 0,05%; 0% ≤ P≤ 0,1%; 0% ≤ B ≤ 0,010%; 0% ≤ Ni ≤ 2,5%; 0% ≤ Mo ≤ 0,7%; 0% ≤ Nb ≤ 0,15%; 0% ≤ N ≤ 0,015%; 0% ≤ Cu ≤ 0,15%; 0% ≤ Ca ≤ 0,01%; 0% ≤ W ≤ 0,35%, остальное приходится на железо и неизбежные примеси при производстве стали.
Например, лист углеродистой стали представляет собой сталь 22MnB5 следующего состава: 0,20% ≤ C ≤ 0,25%; 0,15% ≤ Si ≤ 0,35%; 1,10% ≤ Mn ≤ 1,40%; 0% ≤ Cr ≤ 0,30%;
0% ≤ Mo ≤ 0,35%; 0% ≤ P ≤ 0,025%; 0% ≤ S ≤ 0,005%; 0,020% ≤ Ti ≤ 0,060%; 0,020% ≤ Al ≤ 0,060%; 0,002% ≤ B ≤ 0,004%, остальное приходится на железо и неизбежные примеси при производстве стали.
Лист углеродистой стали может быть Usibor2000 следующего состава: 0,24% ≤ C ≤ 0,38%; 0,40% ≤ Mn ≤ 3%; 0,10% ≤ Si ≤ 0,70%; 0,015% ≤ Al ≤ 0,070%; 0% ≤ Cr ≤ 2%; 0,25% ≤ Ni ≤ 2%; 0,020% ≤ Ti ≤ 0,10%; 0% ≤ Nb ≤ 0,060%; 0,0005% ≤ B ≤ 0,0040%; 0,003% ≤ N ≤ 0,010%; 0,0001% ≤ S ≤ 0,005%; 0,0001% ≤ P ≤ 0,025%; причем понятно, что содержание титана и азота удовлетворяет неравенству Ti/N > 3,42; и что содержание углерода, марганца, хрома и кремния удовлетворяет неравенству:
причем состав необязательно включает в себя одно или несколько из следующего: 0,05% ≤ Mo ≤ 0,65%; 0,001% ≤ W ≤ 0,30%; 0,0005% ≤ Ca ≤ 0,005%, остальное приходится на железо и неизбежные примеси при производстве стали.
Например, лист углеродистой стали представляет собой Ductibor500 следующего состава: 0,040% ≤ C ≤ 0,100%; 0,80% ≤ Mn ≤ 2,00%; 0% ≤ Si ≤ 0,30%; 0% ≤ S ≤ 0,005%;
0% ≤ P ≤ 0,030%; 0,010% ≤ Al ≤ 0,070%; 0,015% ≤ Nb ≤ 0,100%; 0,030% ≤ Ti ≤ 0,080%;
0%≤ N≤ 0,009%; 0%≤ Cu ≤ 0,100%; 0%≤ Ni ≤ 0,100%; 0%≤ Cr ≤ 0,100%; 0%≤ Mo ≤ 0,100%; 0%≤ Ca≤ 0,006%, остальное приходится на железо и неизбежные примеси при производстве стали.
Лист углеродистой стали может быть получен путем горячей прокатки и необязательно холодной прокатки, в зависимости от желательной толщины, которая может быть, например, между 0,7 и 3,0 мм.
Изобретение относится к способу горячей штамповки, который включает в себя следующие стадии:
предоставление листа углеродистой стали, покрытого предварительным барьерным покрытием, содержащим никель и хром, где массовое отношение Ni/Cr находится между 1,5 и 9,
разрезание покрытого листа углеродистой стали, чтобы получить заготовку,
термическая обработка заготовки в атмосфере, имеющей окислительный потенциал, равный или выше, чем потенциал атмосферы, содержащей 1% кислорода по объему и равный или меньше, чем потенциал атмосферы, содержащей 50% кислорода по объему, причем указанная атмосфера имеет точку росы между -30 и +30°C,
перемещение заготовки в прессовый штамп,
горячая штамповка заготовки для того, чтобы получить деталь,
охлаждение детали, полученной на стадии E), с целью получения микроструктуры в стали, которая является мартенситной, или мартенситно-бейнитной, или составленной по меньшей мере из 75 масс.% равноосного феррита, от 5 до 20 масс.% мартенсита и бейнита в количестве меньше, чем или равным 10 масс.%.
2
Действительно, авторы изобретения, не желая быть связанными какой-либо теорией, неожиданно обнаружили, что, когда лист углеродистой стали предварительно покрыт барьерным покрытием, включающим никель и хром, причем отношение Ni/Cr находится в вышеуказанном конкретном диапазоне, и когда термическая обработка осуществляется в вышеуказанной атмосфере, этот барьерный эффект предварительного покрытия дополнительно улучшается, еще более предотвращая адсорбцию водорода в листе углеродистой стали. Действительно, в отличие от атмосферы, состоящей из азота, в которой образуется более тонкий слой избирательных оксидов на поверхности барьерного предварительного покрытия в течение термической обработки, в частности при аустенизационной обработке, предполагается, что на поверхности барьерного предварительного покрытия образуются термодинамически стабильные оксиды в кинетически медленном процессе. Указанные термодинамически стабильные оксиды дополнительно снижают адсорбцию H.
2
2
2
2
2
2
2
Одна из существенных характеристик способа согласно изобретению заключается в выборе атмосферы, имеющей окислительный потенциал, равный или выше, чем потенциал атмосферы, состоящей из 1% кислорода по объему, и равный или меньше, чем потенциал атмосферы, состоящей из 50% кислорода по объему. Эта атмосфера в частности может быть составлена из N или Ar, или смесей азота или аргона, и газообразных окислителей, таких как, например, кислород, смеси CO и CO или смеси H и HO. Кроме того, можно использовать смеси CO и CO или смеси H и H без добавления инертного газа.
2
2
Предпочтительно, на стадии C) атмосфера имеет окислительный потенциал, равный или выше, чем потенциал атмосферы, состоящей из 10% кислорода по объему, и равный или меньше, чем потенциал атмосферы, состоящей из 30% кислорода по объему. Например, атмосфера представляет собой воздух, то есть она состоит приблизительно из 78% N, приблизительно 21% O и других газов, таких как инертные газы, диоксид углерода и метан.
2
Предпочтительно, на стадии C), точка росы находится между –20 и +20°C и преимущественно между -15°C и +15°C. Действительно, не желая быть связанными какой-либо теорией, предполагается, что, когда точка росы находится в вышеуказанном диапазоне, слой термодинамически стабильного оксида еще больше снижает адсорбцию H в течение термической обработки.
Необязательно, на стадии A), барьер предварительного покрытия содержит примеси, выбранные из Sr, Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr, Zr или Bi, причем содержание по массе каждого дополнительного элемента составляет ниже, чем 0,3% по массе.
Преимущественно, на стадии A), барьер предварительного покрытия содержит от 55 до 90%, предпочтительно от 70 до 90%, более предпочтительно от 75 до 85% никеля по массе.
Предпочтительно, на стадии A), барьер предварительного покрытия содержит от 10 до 40%, предпочтительно от 10 до 30% и преимущественно от 15 до 25% хрома.
В предпочтительном варианте осуществления, на стадии A), барьер предварительного покрытия не содержит, по меньшей мере, один из элементов, выбранных из Al, Fe, Si, Zn, B, N и Mo. Действительно, не желая быть связанными какой-либо теорией, существует риск, что присутствие, по меньшей мере, одного из указанных элементов снизит барьерный эффект покрытия.
Предпочтительно, на стадии A), барьер предварительного покрытия состоит из Cr и Ni, то есть, барьерное покрытие включает в себя только Ni и Cr и необязательные примеси.
Предпочтительно, на стадии A), барьер предварительного покрытия имеет толщину между 10 и 550 нм, и более предпочтительно между 10 и 90 нм. В другом предпочтительном варианте осуществления, толщину составляет между 150 и 250 нм. Например, толщина барьерного покрытия составляет 50 или 200 нм.
Не желая быть связанными какой-либо теорией, по-видимому, когда толщина указанное барьерное покрытие меньше 10 нм, существует риск, что водород поглощается внутри стали, поскольку барьерное покрытие недостаточно покрывает лист углеродистой стали. Когда барьер предварительного покрытия толще 550 нм, по-видимому, существует риск, что барьерное покрытие станет более хрупким и что поглощение водорода начнется благодаря хрупкости барьерного покрытия.
На стадии A), лист углеродистой стали может быть непосредственно покрыт сверху противокоррозийным предварительным покрытием, причем слой указанного противокоррозийного предварительного покрытия непосредственно покрыт сверху барьером предварительного покрытия. Например, противокоррозийное предварительное покрытие включает в себя, по меньшей мере, один металл, выбранный из группы, состоящей из цинка, алюминия, меди, магния, титана, никеля, хрома, марганца и их сплавов. Предпочтительно, противокоррозийное покрытие получено на основе алюминия или цинка.
В предпочтительном варианте осуществления, противокоррозийное предварительное покрытие на основе алюминия включает в себя меньше, чем 15% Si, меньше, чем 5,0% Fe, необязательно от 0,1 до 8,0% Mg и необязательно от 0,1 до 30,0% Zn, причем остальное составляет Al. Например, противокоррозийное покрытие представляет собой AluSi.
В другом предпочтительном варианте осуществления противокоррозийное предварительное покрытие на основе цинка содержит меньше, чем 6,0% Al, меньше, чем 6,0% Mg, причем остальное составляет Zn. Например, противокоррозийное покрытие является цинковым покрытием для того, чтобы получить следующий продукт: Usibor GI.
Кроме того, противокоррозийное предварительное покрытие может содержать примеси и остаточные элементы, такие как железо, с содержанием до 5,0%, предпочтительно 3,0%, по массе.
Предварительное покрытие может быть осаждено любым способом, известным специалисту в этой области техники, например, используя процесс горячего цинкования, покрытие валком, процесс электрогальванизации, физическое осаждение пара, например, осаждение струей пара, магнетронное распыление или осаждение, вызванное пучком электронов. Предпочтительно, барьер предварительного покрытия наносится осаждением, вызванным пучком электронов или путем покрытия валком. После осаждения предварительного покрытия может быть осуществлена «дрессировка» листа с обеспечением деформационного упрочнения покрытого листа углеродистой стали и придания ему шероховатости, облегчающей последующее формование. Может быть использовано обезжиривание и обработка поверхности для того, чтобы улучшить, например, адгезионное связывание или сопротивление коррозии.
После предоставления листа углеродистой стали, предварительно покрытого металлическим покрытием согласно настоящему изобретению, покрытый лист углеродистой стали разрезают, чтобы получить заготовку. Применяется термическая обработка заготовки в печи. Предпочтительно, термическая обработка проводится не в защитной атмосфере или в защитной атмосфере при температуре между 800 и 950°C. Более предпочтительно, термическая обработка проводится при температуре аустенизации Tm, обычно между 840 и 950°C, предпочтительно от 880 до 930°C. Преимущественно, указанную заготовку выдерживают в течение времени пребывания tm между 1 и 12 минут, предпочтительно между 3 - 9 минут. В течение термической обработки до горячей штамповки, покрытие образует слой сплава, обладающий высоким сопротивлением коррозии, истиранию, износу и сопротивлением усталости.
При температуре окружающей среды механизм поглощения водорода внутри стали отличается от механизма при высокой температуре, в частности при аустенизационной обработке. Действительно, обычно при высокой температуре, вода в печи диссоциирует на поверхности стального листа на водород и кислород. Не желая быть связанными какой-либо теорией, предполагается, что барьерное покрытие, включающее никель и хром, может предотвращать диссоциацию воды на поверхности барьерного покрытия, а также предотвращать диффузию водорода через покрытие. В атмосфере, имеющей окислительный потенциал, равный или выше, чем потенциал атмосферы, состоящей из 1% кислорода по объему, и равный или меньше, чем потенциал атмосферы, состоящей из 50% кислорода по объему, предполагается, что оксиды, которые являются термодинамически стабильными, дополнительно ингибируют диссоциацию воды.
После термической обработки, затем заготовка перемещается в устройство горячей штамповки и подвергается горячей штамповке при температуре между 600 и 830°C. Горячее тиснение может быть горячей штамповкой или профилированием листового металла роликами. Предпочтительно, заготовка подвергается горячей штамповке. Затем деталь охлаждается в устройстве горячей штамповки или после перемещения в специальное устройство охлаждения.
Скорость охлаждения регулируется в зависимости от состава стали таким образом, что в окончательной микроструктуре после горячей штамповки содержится, главным образом, мартенсит, предпочтительно сталь содержит мартенсит, или мартенсит и бейнит, или сделана, по меньшей мере, из 75% равноосного феррита, от 5 до 20% мартенсита и бейнита в количестве меньше, чем или равном 10%.
2
Таким образом, путем горячей штамповки согласно изобретению получается упрочнённая деталь, обладающая отличным сопротивлением замедленному трещинообразованию. Предпочтительно, деталь содержит лист углеродистой стали, покрытый барьерным предварительным покрытием, включающим никель и хром и оксидный слой, содержащий термодинамически стабильные оксиды железа, никеля и хрома, причем указанное барьерное покрытие представляет собой сплав, образовавшийся за счет диффузии в листе углеродистой стали. Более предпочтительно, деталь содержит лист углеродистой стали, покрытый барьерным предварительным покрытием, включающим железо, никель и хром, и оксидный слой, содержащий термодинамически стабильные оксиды никеля и хрома, причем указанное барьерное покрытие представляет собой сплав, образовавшийся за счет диффузии в листе углеродистой стали. Действительно, не желая быть связанными какой-либо теорией, предполагается, что железо в стали диффундирует к поверхности указанное барьерное покрытие в течение термической обработки. Предполагается, что в атмосфере стадии C) железо, никель и хром медленно окисляются с образованием термодинамически стабильных оксидов, предотвращающих адсорбцию H в листе углеродистой стали.
2
3
2
3
3
4
Предпочтительно, термодинамически стабильные оксиды хрома, никеля и железа могут содержать соответственно CrO; NiO; FeO, FeO и/или FeO.
Предпочтительно, толщина оксидного слоя находится между 10 и 550 нм.
В предпочтительном варианте осуществления деталь представляет собой упрочнённую прессованием стальную деталь, имеющая переменную толщину, то есть, упрочнённая прессованием стальная деталь изобретения может иметь толщину, которая не является равномерной, но которая может изменяться. Действительно, возможно достижение желательного уровня механической прочности в зонах, которые наиболее подвержены внешним напряжениям, и снизить массу в других зонах детали, упрочнённой прессованием, таким образом, обеспечивается вклад в снижение массы транспортного средства. В частности, детали с неравномерной толщиной могут быть получены путем непрерывной гибкой прокатки, то есть, в процессе, где толщина листа, полученного после прокатки, является переменной в направлении прокатки, в зависимости от нагрузки, которая прилагается через ролики на лист во время процесса прокатки.
Таким образом, в условиях настоящего изобретения возможно производство преимущественно деталей для транспортного средства с изменяющейся толщиной для того, чтобы получить, например, прокатанную заготовку с заданными свойствами. Конкретно, деталь может быть лонжероном переднего отсека, поперечиной сиденья, поперечиной боковины платформы кузова, поперечиной приборной панели, армированным передним перекрытием, поперечиной заднего перекрытия поперечина, задним обвязочным брусом, центральной стойкой, дверным ободом или передним сиденьем.
Для применения в автомобилях, после стадии фосфатирования деталь погружают в ванну электроосаждения. Обычно толщина фосфатного слоя находится между 1 и 2 мкм и толщина слоя электроосаждения находится между 15 и 25 мкм, предпочтительно меньше чем или равная 20 мкм. Электрофоретический слой обеспечивает дополнительную защиту от коррозии. После стадии электроосаждения можно наносить другие красочные слои, например, грунтовочный слой краски, слой основного покрытия и верхний покровный слой.
До проведения электроосаждения на детали, эту деталь предварительно обезжиривают и фосфатируют с целью обеспечения адгезии при электрофорезе.
Теперь изобретение будет объяснено в испытаниях, выполненных только для информации. Испытания не являются ограничивающими.
Примеры
Для всех образцов использовался лист углеродистой стали 22MnB5. Состав этой стали является следующим: C = 0,2252%; Mn = 1,1735%; P = 0,0126%, S = 0,0009%; N = 0,0037%; Si = 0,2534%; Cu = 0,0187%; Ni = 0,0197%; Cr = 0,180%; Sn = 0,004%; Al = 0,0371%; Nb = 0,008%; Ti = 0,0382%; B = 0,0028 %; Mo = 0,0017%; As = 0,0023% и V = 0,0284%.
Некоторые листы углеродистой стали покрыты первым покрытием, которое является противокоррозийным покрытием, в дальнейшем называется “AluSi”. Это покрытие содержит 9% по массе кремния, 3% по массе железа, остальное представляет собой алюминий. Указанное покрытие наносят путем горячего цинкования.
Некоторые листы углеродистой стали покрыты вторым покрытием, нанесенным магнетронным распылением.
Пример 1. Водородный тест
Этот тест используется для определения количества водорода, адсорбированного в течение аустенизационной термической обработки в способе горячей штамповки.
Испытаниям подвергают листы углеродистой стали, необязательно покрытые первым покрытием, которое является AluSi (25 мкм), и вторым покрытием, содержащим 80% Ni и 20% Cr.
После осаждения покрытия на листы углеродистой стали, покрытые пробы нарезают для того, чтобы получить заготовки. Затем заготовки нагревают при температуре 900°C в течение времени выдерживания, варьируемого между 5 и 10 минут. Термическую обработку проводят в атмосфере воздуха или азота с точкой росы между -15°C и +15°C. Заготовки перемещают в прессовый штамп и подвергают горячему штампованию для того, чтобы получить детали, имеющие завершенную форму. Затем детали охлаждают путем погружения проб в теплую воду, чтобы получить повышение прочности за счет мартенситного превращения.
Окончательно измеряют количество водорода, адсорбированного пробами в течение термической обработки, путем термодесорбции с использованием дифференциального термического анализа или анализатора термодесорбции. С этой целью пробу помещают в кварцевую ячейку и медленно нагревают в инфракрасной печи в токе азота. Выделяющуюся смесь водорода и азота отбирают течеискателем и концентрацию водорода измеряют с использованием масс-спектрометра. Результаты показаны в следующей таблице 1.
*: примеры согласно изобретению.
Пробы согласно настоящему изобретению выделяют весьма малое количество водорода по сравнению с сопоставительными примерами.