CZ268897A3

CZ268897A3 - Lehká konstrukční ocel a její použití

Info

Publication number: CZ268897A3
Application number: CZ972688A
Authority: CZ
Inventors: Georg Prof. Dr. Frommeyer; Wolfgang Dr. Müschenborn; Carl-Peter Dr. Reip; Martin Prof. Dr. Stratmann; Margrit Dannenfeldt; Jochen Dr. Kruse; Bernhard Dr. Engl
Original assignee: Fried. Krupp Ag Hoesch-Krupp; Friedrich-Alexander-Universität Erlangen- Nürnberg; Max-Planck-Institut Für Eisenforschung GmbH; Thyssen Stahl Ag
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1998-03-18
Also published as: EP0826787A3; JP2000517001A; JP3457331B2; US6383662B1; DE19634524A1; PL321826A1; EP0826787A2; WO1998008995A1

Description

Lehká konstrukční ocel a její použití

Oblast techniky

Vynález se týká lehké konstrukční oceli o vysoké pevnosti a jejího použití na díly vozidla a obklady fasád.

Všechny údaje týkající se obsahu jsou uvedeny v procentech hmotnostních.

Dosavadní stav techniky

Pro automobilový průmysl byly vyvinuty oceli o vysoké pevnosti s různými vlastnostmi, které se při výrobě používají v současné době již ve velké míře. Zmenšením tloušťky plechu v důsledku vyšší pevnosti je možno oproti dosavadní měkké oceli dosáhnout snížení hmotnosti. Pro zaručení dostatečné odolnosti proti korozi byly vyvinuty různé způsoby opatřování povrchů povlaky, viz například Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW 094 a SEW 093; Stáhl und Eisen 106 (1986), č. 12, str. 21-38 a 114 (1994), Č. 7, Str. 47-53.

Oceli s vysokým obsahem hliníku jsou známé. Například ve spisu EP-A-0 495 121 jsou uvedeny oceli s obsahem Al až do 7 % hmotnostních, s více než 0,5 % Si, 0,1 až 8 % Mn a méně než 0,01 % C, O, P pro tlumení kmitů a hluku ve strojích.

Ve spise EP-A-0 401 098 jsou uvedeny oceli s méně než

3,3 I Si a 1,5 I až 8 % Al pro magneticky měkké plechy, které mají ostrou texturu (kubickou texturu) (100)(001).

Intersticiální nečistoty musí být obsaženy v množství menším než 50 ppm, C v množství menším než 30 ppm. Tato textura je

pro tváření, jako například pro tažení, popřípadě hluboké tažení, nevhodná.

Ve spise DE 43 03 316 A jsou popsány oceli s 13 až 16 % Al a z části s vysokým obsahem dalších legovacích prvků, jako Cr, Nb, Ta, W, Si, B, Ti, pro součásti odolné proti oxidaci a korozi.

Ve spise DE 32 01 816 A jsou popsány slitiny s 1 až 10 % Al, určené pro součásti, které se při vysokých teplotách, v rozsahu od 750 do 900 ’C, dostanou do kontaktu s kapalinami, které obsahují uhlovodíky, takže nedochází k usazování těchto uhlovodíků. Povrchy těchto součástí mohou být předem zoxidovány.

Popsaná známá řešení mají následující nevýhody:

- Snížení hmotnosti je možno dosáhnout pouze zmenšením tloušůky plechu nebo přídavnými opatřeními konstrukční povahy a/nebo vhodnými spojovacími způsoby.

- Potřebná ochrana proti korozi může být dosažena pouze přídavnými opatřeními, jako je opatřování povrchů povlaky.

Rekrystalizačně žíhané oceli s vyšším obsahem hliníku, které lze dobře tvářet, nebo které jsou vhodné pro tažení a hluboké tažení a pro válcování za studená, a které se používají v automobilovém průmyslu nebo na obklady fasád, nepatří do dosavadního stavu techniky.

Úkolem vynálezu proto je vytvořit ocel o specifické hmotnosti podstatně menší než 7,6 g/cm³ a o vyšší pevnosti při zachování dobré tvárnosti za studená a současně se zlepšeným odporem proti atmosférické korozi oproti běžným hlubokotažným ocelím.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje lehká konstrukční ocel o vysoké pevnosti, sestávaj ící v % hmotnostních z více než 5 až 9 % Al < 0,2 % Si

0,03 až 0,2 % Mn zbytek železo a nečistoty podmíněné tavením, včetně nejvýše 1 % v součtu Cu + Mo + W + Co + Cr + Ni a až 0,1 % v součtu Sc + Y + vzácné zeminy.

Ocel může dále obsahovat až 0,1 % c až 0,5 % v součtu Ti + Zr + Hf + V + Nb + Ta až 0,01 % B až 0,1% P.

Zvláštními znaky složení oceli jsou:

Ocel podle vynálezu je čistě feritická.

Ocel podle vynálezu má nejvyšší obsah Si 0,2 % a má malý obsah uhlovodíků, menší než 0,1 % a z hlediska legování nepodstatný obsah Cu, Mo, W, Co, Cr, Ni, Se, Y a kovů vzácných zemin.

Ocel podle vynálezu má neočekávaně dobrou kombinaci dosud neznámých výhodných vlastností, kterými jsou:

Charakteristické hodnoty pevnosti jsou oproti známé měkké hlubokotažné oceli podstatně vyšší.

Tvářnost je poměrně dobrá, měřeno na pevnosti.

Specifická hmotnost je oproti známým hlubokotažným ocelím podstatně menší.

Odolnost proti korozi je podstatně vyšší.

Ocel s vyšším obsahem hliníku, která je schopna tažení a hlubokého tažení, se roztaví, odlije do předvalků, válcuje v

teplotním rozsahu nad rekrystalizační teplotou nebo se odlije do tvaru pásu. Ocel se zpracovává přímo bud jako pásová ocel válcovaná za tepla nebo se po válcování za tepla válcuje za studená s přetvořením větším než 20 %. Pásová ocel válcovaná za studená se potom rekrystalizačně žíhá.

Vzhledem ke své dobré tvářnosti za studená a malé specifické hmotnosti, která je podstatně menší než 7,6 g/cm , je ocel ve formě plechu zvlášť vhodná pro použití v automobilovém průmyslu a jako obklad fasád.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn s odkazem na přiložené výkresy, na nichž obr. 1 znázorňuje cyklické křivky závislosti hustoty proudu na potenciálu u slitin železa a hliníku ve srovnání s čistým železem, obr. 2 vliv elektrolytické úpravy povrchu s následujícím tepelným zpracováním a obr. 3 úbytek hmotnosti slitin železa a hliníku jako funkci obsahu hliníku.

Příklady provedení vynálezu

Výchozí materiál se roztavil ve vakuové indukční peci a odlil do kokil. Válcování za tepla bylo provedeno v rozsahu teplot od 800 °C do 1100 °C na tloušťku 4 mm. Po moření se tabule válcovaly za studená s přetvořením v rozsahu od 5 do 92 %, načež se rekrystalizačně žíhaly v rozmezí teplot od 700 °C do 900 ’C.

V tabulce 1 je uvedeno chemické složení několika zkoumaných oceli.

V tabulce 2 jsou znázorněny charakteristické hodnoty pevnosti a tvářnosti několika zkoumaných ocelí po 70 % přetvoření v rekrystalizačně žíhaném stavu. Přitom znamenají:

• ·	• · ·	* · ·	····
• ·	•	•	v	•	• ·
• «	• ·	•		• · ·	• 9
• ·	• ·	•	•		• *
• · · ·	• ·	• · ·	• · ·	• ·	•

Rp - mez průtažnosti

Rm - mez pevnosti v tahu

A80 - tažnost, délka ocelové tyče 1 = 80 mm

E - modul pružnosti rL - hodnota r (hodnota anisotropie) v podélném směru n - hodnota n (exponent zpevnění)

V tabulce 3 jsou pro zkušební vzorky válcované za studená a žíhané, jakož i pro zkušební vzorky válcované za tepla, uvedeny dobré hodnoty pevnosti a tvářnosti, a dále hodnoty tažnosti neboli poměrného prodloužení při přetržení - A5, při 1 = 5 d.

V tabulce 4 je znázorněn vliv stupně válcování za studená KVG v % na hodnoty přetvoření. Je vidět, že až do stupně válcování za studená do hodnoty 70 % se hodnoty r a n podstatně zvětšuj í.

V tabulce 5 jsou uvedeny výsledky zkoušek hloubením podle Erichsena podle normy DIN 50101, které se provádějí pro praktické zjištění vlastností po tváření.

Na obr. 1 jsou znázorněny cyklické křivky závislosti hustoty proudu na potenciálu u slitin železa a hliníku ve srovnání s čistým železem. Slitina železa a hliníku s vyleštěným povrchem, to znamená bez ochranné oxidační vrstvy, má již lepší odolnost než čisté železo. Elektrolytickou úpravou povrchu hliníkem je možnodobrou odolnost slitin železa a hliníku proti korozi ještě dále zlepšit.

Na obr. 2 je znázorněno, že elektrolytickou úpravou povrchu s následujícím tepelným zpracováním je možno ve srovnání se slitinou s vyleštěným povrchem, to znamená bez • · • · *· · · · · · · · • ♦ · · · · · ···· ·· ··· ··· ·· ·

- 6 ochranné oxidační vrstvy, ve velmi krátké době vyrobit husté povrchové vrstvy odolné proti korozi.

Na obr. 3 je znázorněn úbytek hmotnosti slitin železa a hliníku jako funkce obsahu hliníku. Je zřejmé, že ocelí podle vynálezu s obsahem hliníku od 3 do 9 % je možno dosáhnout úbytku hmotnosti v rozsahu od 4,5 do 12 %.

V důsledku velkého zpevňovacího účinku směsných krystalů hliníku ve slitinách Fe-Al a v důsledku přítomnosti doprovodných prvků a mikrolegovacich prvků dojde k podstatnému zvětšení pevnosti ve srovnání s mikrolegovanými tenkými ocelovými plechy. Kromě dobré pevnosti a tvářnosti při podstatném úbytku hmotnosti má ocel podle vynálezu i vyšší odolnost proti korozi. Odolnost proti korozi je možno ještě dále zlepšit chemickým, elektrochemickým nebo tepelným zpracováním, když vytvoření povrchové vrstvy s velkým obsahem hliníku vede ke vzniku ochranné krycí vrstvy AI2O3·

V tabulce 6 je znázorněno zvyšování obsahu hliníku na povrchu dodatečným elektrolytickým nanášením hliníku na povrch slitiny železa a hliníku s obsahem 8,5 % Al při teplotách od 20 do 60 'C v aktivním rozsahu (- 0,17 V oproti NHE), v pasivním rozsahu (1,1 V oproti NHE) a v transpasivním rozsahu (10,65 V oproti NHE). Oproti nezpracované slitině došlo ke zvýšení koncentrace hliníku na povrchu téměř o 100 %. Stejných výsledků je možno dosáhnout i elektrochemickým nanášením Al.

Vhodným dodatečným tepelným zpracováním při zvýšené teplotě v rozsahu od 600 do 1200 °C je možno vytvořit nepropustné vrstvy AI2O3.

Ί

Tabulka 1: Chemické složení v % hmotnostních, C, N, O y ppm

Ocel	C	Si	Mn	P	S	Al	N	O	Nb
1	220	0,024	0,031	0,006	0,002	5,1	10	n.b.	— —
2	130	0,024	0,034	0,006	0,002	7,0	15	n.b.	“ “ *
3	60	0,029	0,032	0,007	0,002	8,8	14	n.b.
4	39	0,01	0,10	0,008	n.b.	5,4	10	n.b.	— ——
5	39	0,01	0,12	n.b.	n.b.	7,9	8	34	— — —
6	36	0,01	0,14	n.b.	n.b.	9,0	5	n.b.
7	260	0,04	0,19	0,008	0,003	5,1	25	n.b.	— — —
8	270	0,08	0,19	0,012	0,003	7,8	24	n.b.
9	100	n.b.	n.b.	n.b.	n.b.	7,4	16	20	0,05
10	100	n.b.	n.b.	n.b.	n.b.	7,4	16	19	0,1
11	100	n.b.	n.b.	n.b.	n.b.	7,4	16	19	0,2
12	100	n.b.	n.b.	n.b.	n.b.	7,4	16	18	0,4

φ ·· ♦ ·

Tabulka 2: Charakteristické hodnoty pevnosti a tvářnosti v podélném směru

Ocel	Rp(MPa)	Rm(MPa)	A80 (%)	E (GPa)	hodnota rL	hodnota n
1	340	440	28	190	0,79	0,195
2	390	490	28	180	0,73	0,175
3	440	540	n.b.	170	0,58	0,130
4	330	470	29	180	0,83	0,205
5	420	550	27	180	0,88	0,177
6	460	510	n.b.	170	n.b.	n.b.
7	380	470	25	190	n.b.	n.b.
8	480	570	22	180	n.b.	n.b.
9	400	490	25	n.b.	n.b.	n.b.
10	310	450	30	n.b.	n.b.	n.b.
11	300	460	24	n.b.	n.b.	n.b.
12	310	470	31	n.b.	n.b.	n.b.

Tabulka 3: Charakteristické hodnoty pevnosti a tvářnosti v příčném směru

Ocel	Rp(MPa)	Rm(MPa)	A5 (%)	E (GPa)	n
1	350	480	22	200	0,18
2	460	580	20	190	0,15
3	560	650	n.b.	180	n.b.
4	330	460	29	200	0,18
5	390	510	27	190	0,16
6	480	550	n.b.	170	n.b.

Tabulka 4: Hodnota r a hodnota n rekrystalizačně žíhané oceli 4 v závislosti na stupni válcování za studená KVG v %

KVG	5	10	15	20	30	50	70	92
rL	0,7	0,56	n.b.	0,61	0,72	0,77	0,80	0,42
n	0,16	0,16	0,16	0,16	0,17	0,175	0,195	0,19

Tabulka 5: Zkouška hloubením podle Erichsena (průměr razníku = 20 mm) rekrystalizačně žíhaných ocelí

Ocel	tloušřka plechu v mm	hloubení v mm
1	0,98	9,6
1	0,96	i 0, o -- - - — —
1	0,97	9,5
4	1,10	9,7
4	1,10	9,9

« · · ·

- 10 Tabulka 6: Povrchová vrstva obohacená hliníkem, vytvořená na slitině Fe Al 8,5 dodatečným elektrolytickým zpracováním

polarizace	Al/(A1+Fe) v At. %	přírůstek Al na povrchu v %
	20 “C	60 °C	20 ^eC	60 °C
aktivní	21,1	19,3	28,7	17,7
pasivní	18,9	29,4	15,2	79,3
transpasivní 10,65 V (NHE)	29,9	32,3	82,3	96,3
vyleštěný vzorek	16,4	-

	7óV-
růst končen-'	60 V
trace Al na	\ ^£° l’
povrchu v %	a ⁴⁰ r”

růst koncentrace Al na povrchu v % fěAl 8,5; 60 *C í FeAl 8,5; 20 ?C

10,65 v transpasivní potenciál/^ (NHE)

- 1,1 V pasivní 0,17 V aktivní _t

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Lehká konstrukční ocel o vysoké pevnosti, sestávající v % hmotnostních z více než 5 až 9 % Al < 0,2 % Si

0,03 až 0,2 % Mn zbytek železo a nečistoty podmíněné tavením, včetně nejvýše 1 % v součtu Cu + Mo + W + Co + Cr + Ni a až 0,1 % v součtu Sc + Y + vzácné zeminy.
2. Lehká konstrukční ocel podle nároku 1, která je dále legována v % hmotnostních prvky až 0,1 % C až 0,5 % v součtu Ti + Zr + Hf + V + Nb + Ta až 0,01 % B až 0,1 % P.
3. Lehká konstrukční ocel podle nároku 1, avšak s obsahem 7 až 9 % Al.
4. Lehká konstrukční ocel podle nároku 2, avšak s obsahem titanu a/nebo niobu alespoň 0,03 %.
5. Lehká konstrukční ocel podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že pásy z ní vytvořené jsou opatřeny chemickým, elektrochemickým, organickým nekovovým nebo kovovým povlakem.
6. Lehká konstrukční ocel podle nároku 5, vyznačují c í se t í m, že povrch pásu je obohacen hliníkem a/nebo potažen hliníkem.
7. Použití lehké konstrukční oceli podle jednoho z nároků 1 až 6 jako materiálu na díly vozidla nebo na obklady fasád.