ITRM20100641A1 - Procedimento per la produzione di acciaio ad alto manganese con resistenza meccanica e formabilità elevate, ed acciaio così ottenibile. - Google Patents

Description

Procedimento per la produzione di acciaio ad alto manganese con resistenza meccanica e formabilità elevate, ed acciaio così ottenibile.

La presente invenzione si riferisce al settore dei prodotti in acciaio austenitico ad alto contenuto in manganese e con elevata resistenza meccanica ed elevata formabilità (acciai denominati TWIP, Twinning Induced Plasticity).

Gli acciai ad alto Mn tipo TWIP costituiscono una famiglia di acciai a sé stante nel panorama degli acciai alto resistenziali in quanto sono caratterizzati da proprietà meccaniche decisamente peculiari. Gli acciai TWIP hanno una struttura austenitica con reticolo cubico a facce centrate(FCC) insieme a una bassa energia del difetto di impilamento (Stacking Fault Energy -SFE) che favorisce l’attivazione dei meccanismi di deformazione per geminazione (geminazione indotta meccanicamente).

Nei metalli i due meccanismi fondamentali e competitivi mediante i quali si realizza la deformazione plastica sono lo scorrimento delle dislocazioni e la formazione di geminati (geminazione).

Per ottenere un acciaio che si deformi preferenzialmente mediante geminazione à ̈ necessario mettere a punto il disegno metallurgico dell’acciaio in maniera tale che il contenuto di soluto sia tale da aumentare simultaneamente la tensione di taglio (shear stress) per lo scorrimento delle dislocazioni e ridurre l’energia del difetto di impilamento (stacking fault energy, SFE).

Gli atomi di soluto interagiscono con le dislocazioni attraverso due meccanismi:

1) Interazione tra le distorsioni reticolari prodotte dal soluto e dalla dislocazione. Questa interazione à ̈ legata in qualche misura alla differenza dimensionale tra gli atomi di soluto e solvente. Gli atomi sostituzionali riducono gli stati tensionali in prossimità della linea di dislocazione: ne consegue che una maggiore tensione à ̈ necessaria per muovere la dislocazione.

2) Nei reticoli cubici a facce centrate (FCC) le dislocazioni ordinarie in certe condizioni (bassa energia del difetto di impilamento)diventano instabili e tendono a separarsi in due parziali (dislocazioni di Shockley). La regione di reticolo tra le due parziali à ̈ caratterizzata da un difetto di struttura detto †̃difetto di impilamento’ cioà ̈ la sequenza normale dei piani cristallini ad alto impacchettamento à ̈ alterata passando dalla tipica sequenza di un reticolo cubico a facce centrate (FCC) a quella di un reticolo esagonale compatto (HCP). La concentrazione di soluto nella zona del difetto di impilamento, all’equilibrio, tende ad essere maggiore rispetto al valore medio. Questa distribuzione eterogenea di atomi di soluto esercita una ulteriore resistenza al moto delle dislocazioni (effetto Suzuki).

In una tipica curva true stress-true strain di un acciaio TWIP possono essere distinti tre stadi:

1° stadio: all’inizio della fase di deformazione plastica in cui la deformazione avviene in maniera predominante mediante scorrimento delle dislocazioni.

2° stadio: all’ aumentare della deformazione e della relativa tensione di taglio a seguito dell’incrudimento del materiale, inizia progressivamente a innescarsi la geminazione che richiede una energia di attivazione maggiore, rispetto a quella per lo scorrimento delle dislocazioni, ma costante (indipendente dalla deformazione). Esiste dunque un valore di soglia di deformazione al di sopra del quale l’ulteriore deformazione del materiale avviene in maniera predominante per geminazione. Questo valore di soglia può essere controllato mediante un opportuno disegno metallurgico dell’acciaio. Per deformazioni ancora crescenti la deformazione procede per geminazione e questo produce il caratteristico effetto TWIP caratterizzato da elevatissima duttilità. L’indipendenza della tensione di geminazione dalla deformazione fa si che la deformazione proceda in maniera omogenea nel materiale e senza strizionamenti (allungamento uniforme elevato).

3° stadio: quando la deformazione raggiunge valori elevati anche la geminazione à ̈ ostacolata e da questo punto la deformazione si presenta disomogenea e la rottura avviene per strizione localizzata.

Come à ̈ noto, questa tipologia di acciaio TWIP, in particolare in forma di nastro, à ̈ particolarmente apprezzata nel settore automobilistico. Infatti i nastri di acciaio TWIP consentono la fabbricazione di componenti automobilistici di forma complicata in modo relativamente semplice ed il loro uso in condizioni che esigono impegnative prestazioni meccaniche, in particolare per parti deputate all’assorbimento di energia ed al rinforzo strutturale.

Esistono nello stato della tecnica alcune proposte che cercano di ottenere acciai TWIP che possiedono elevate caratteristiche meccaniche e che possono essere utilizzati per fornire le suddette prestazioni nel settore automobilistico.

In US 2010 258212 si propone un procedimento per la produzione di un acciaio ad alta resistenza tipo TWIP che prevede il controllo della composizione dell’acciaio di partenza e in particolare del titanio (4.0-5.0%) come elemento di lega essenziale.

Tuttavia, nessuno dei procedimenti della tecnica anteriore à ̈ del tutto soddisfacente per quanto riguarda il compromesso migliore fra formabilità e resistenza meccanica, come pure la stabilità della fase austenitica e la qualità superficiale del manufatto ottenuto.

Esiste pertanto nello specifico settore l’esigenza di disporre di un procedimento di produzione di un acciaio TWIP, al fine di ottenere un compromesso ottimale fra resistenza meccanica e formabilità e elevata qualità superficiale.

Questa esigenza à ̈ soddisfatta dal procedimento secondo l’invenzione che ha individuato le condizioni per ottenere la stabilità della fase austenitica attraverso il controllo della composizione chimica e delle modalità di trattamento termico.

E’ pertanto oggetto della presente invenzione un procedimento per la produzione di acciaio austenitico ad alto contenuto di Mn tipo TWIP (Twinning Induced Plasticity, Plasticità Indotta da Geminazione) con elevata resistenza meccanica ed elevata formabilità, che ha la seguente composizione espressa in percentuale in peso:

C 0.2-1.5; Mn 10-25; Ni<2: Si 0.05-2.00; Al 0.01-2.0; N<0.1; P+Sn+Sb+As<0.2; S+Se+Te<0.5; Nb+Co<1 e/o Re+W<1, la rimanente parte essendo Fe e le inevitabili impurezze, e che dopo laminazione a freddo viene sottoposto a ricottura di ricristallizzazione eseguita in modo continuo ad una temperatura compresa nell’intervallo 900°C-1100°C per un tempo compreso tra 60 e 120 secondi o in modo discontinuo ad una temperatura compresa nell’intervallo 700°C-800°C per un tempo compreso tra 30 e 400 minuti, essendo l’atmosfera di ricottura tale che l’attività del carbonio acà ̈ compresa tra 0.1 e 1.0, il contenuto di azoto N2à ̈ compreso tra 90% e 100% per la ricottura continua e tra 0% e 100% per la ricottura in modo discontinuo, il contenuto di idrogeno à ̈ compreso tra 0% e 10% per la ricottura continua e tra 0% e 100% per la ricottura in modo discontinuo, ed il punto di rugiada (dew point) à ̈ inferiore a 0°C e preferibilmente compreso tra -10°C e -50°C.

Gli intervalli di composizione preferiti per singoli elementi di lega o per combinazioni di elementi di lega, indipendentemente gli uni dagli altri, sono:

C 0.4-0.8; Mn 16-19; Ni<1.0; Si 0.2-0.4; Al 0.1-1.5; N 0.01-0.05; Nb+Co 0.1-0.4 e/o Re+W 0.3-0.7.

In una sua variante, il procedimento proposto comprende anche l’ulteriore fase operativa di realizzare un rivestimento metallico sul nastro ottenuto a caldo tramite una lega a base di zinco contenente magnesio e alluminio.

La presente invenzione ha anche per oggetto un acciaio austenitico TWIP, ottenibile come sopra indicato senza rivestimento, con le seguenti caratteristiche meccaniche:

Rp0.2 compreso fra 250 e 350 MPa

Rm compreso fra 900 e 1100MPa

A80 compreso fra 60 e 100 %.

E’ oggetto dell’invenzione anche l’acciaio austenitico suddetto rivestito di una lega a base di zinco contenente magnesio e alluminio, ottenibile con l’ulteriore fase operativa sopra indicata.

L’acciaio secondo l’invenzione, eventualmente rivestito con lega di zinco, può essere usato per la fabbricazione di componenti a geometria complessa, per l’assorbimento di energia, per rinforzi strutturali e in generale per applicazioni automobilistiche.

L’acciaio austenitico TWIP secondo l’invenzione, eventualmente rivestito con lega di zinco, può essere usato in forma di nastro, lamiere, barre, billette, tubi.

L’invenzione ha infine per oggetto anche l’acciaio ad alto Mn utilizzato nel procedimento descritto in precedenza.

Il ruolo metallurgico svolto dai diversi elementi di lega degli acciai TWIP secondo l’invenzione può essere distinto in almeno quattro differenti effetti:

1) Stabilizzazione della fase austenitica con reticolo a facce centrate (FCC). Relativamente a questo effetto gli elementi di lega Mn e C svolgono il ruolo principale.

2)Controllo della energia del difetto di impilamento (Stacking Fault Energy - SFE). Il range ottimale dell’energia del difetto di impilamento per ottenere le migliori proprietà dell’acciaio in termini di duttilità à ̈ 20-40mJ/m2. Relativamente a questo effetto gli elementi di lega Mn e C insieme a Al e Si svolgono il ruolo principale.

3) Ottimizzazione del comportamento TWIP mediante il controllo della soglia di deformazione plastica a partire dalla quale la deformazione avviene quasi esclusivamente per geminazione. Questo effetto può essere controllato in maniera fine con aggiunte di percentuali tipicamente limitate di atomi di grandi dimensioni come Nb, Co, Re e W.

4)Alcuni elementi, tra cui l’ Al, se aggiunti in quantità opportune, oltre all’influenza sulla SFE, tendono a sfavorire la formazione di martensite HCP durante la deformazione della lega.

La funzione dei singoli elementi di lega, come pure il motivo della specifica scelta dei limiti superiore e inferiore dell’intervallo delle relative percentuali in peso, vengono spiegati qui di seguito.

Il carbonio contribuisce alla stabilizzazione dell’austenite. Il suo intervallo di composizione à ̈ 0.2-1.5%.

Con C sotto 0.2% si osserva la formazione di fessurazioni (cracks) durante la lavorazione dell’acciaio. Con C sopra 1,5% si manifesta un peggioramento della formabilità.

Anche il manganese gioca un ruolo determinante nella stabilizzazione della fase austenitica. Il suo intervallo di composizione à ̈ 16-18% secondo la presente invenzione. In corrispondenza di questo intervallo di percentuali di Mn si osserva la massima stabilizzazione dell’austenite.

Il silicio ha la funzione di aumentare la resistenza meccanica e la duttilità dell’acciaio. Il contenuto di Si à ̈ compreso fra 0.05 e 2.0%. Se la percentuale di Si à ̈ inferiore a 0.05, si forma uno spesso strato di ossidi di ferro e manganese che aumenta la durata del decapaggio, e peggiora la resistenza a corrosione dell’acciaio ricotto e la qualità superficiale del lamierino laminato a freddo. Se la percentuale di Si à ̈ superiore al 2,0%, vengono invece pregiudicate le proprietà di stabilità dell’acciaio.

La presenza di alluminio à ̈ finalizzata all’incremento della duttilità dell’acciaio. Il suo contenuto nell’acciaio austenitico secondo l’invenzione à ̈ compreso fra 0.01 e 2,0%. Se il contenuto di Al à ̈ inferiore a 0.01%, aumenta la resistenza meccanica ma si assiste a un rapido deterioramento della duttilità. Se invece Al à ̈ presente in percentuale in peso superiore al 2.0%, l’acciaio esibisce diminuzione di duttilità insieme a deterioramento della colabilità durante la colata continua e suscettibilità a corrosione durante la laminazione a caldo con conseguente peggioramento della qualità superficiale del prodotto risultante.

L’azoto favorisce la formazione di geminazioni, mediante reazione con l’alluminio e precipitazione di nitruri fini (durante la solidificazione) all’interno dei grani austenitici, la sua presenza migliora sia resistenza meccanica che allungamento durante la lavorazione dell’acciaio. L’azoto à ̈ presente nell’acciaio utilizzato secondo la presente invenzione in percentuale inferiore a 0.1%. Se infatti il contenuto di N supera lo 0.1%, ha luogo una precipitazione eccessiva di nitruri con conseguente pregiudizio di lavorabilità a caldo e formabilità a freddo.

Nb+Co e Re+W favoriscono la formazione di geminazioni, e migliorano sia la resistenza meccanica che la capacità di allungamento durante la lavorazione dell’acciaio.

Tramite l’attività sperimentale che à ̈ alla base della presente invenzione si à ̈ trovato che à ̈ fondamentale controllare l’attività del carbonio nell’ atmosfera del forno di ricottura per effettuare un controllo della non decarburazione o della ricarburazione.

Si à ̈ data finora della presente invenzione una descrizione di carattere generale. Con l’aiuto delle seguenti figure e degli esempi verrà ora fornita una descrizione più dettagliata di sue forme di realizzazione, finalizzate a farne meglio comprendere scopi, caratteristiche e vantaggi.

La figura 1 mostra la microstruttura di un acciaio TWIP, secondo l’esempio 2 della presente invenzione, non deformato.

La figura 2 mostra la microstruttura, di un acciaio TWIP secondo l’esempio 2 della presente invenzione dopo deformazione, in cui si nota la presenza di geminati.

Esempio 1

Un acciaio, contenente C 0.6; Mn 18; Ni 0.5; Si 0.3; Al 1.0; P+Sn+Sb+As 0.1; S+Se+Te 0.01; N 0.05; Nb+Co 0.1, a parte il ferro e le inevitabili impurezze, viene sottoposto al procedimento secondo la presente invenzione.

Un nastro di spessore 1.0 mm dell’ acciaio proposto viene ottenuto da un impianto di colata continua e viene laminato a caldo, laminato a freddo e sottoposto a ricottura di ricristallizzazione con le modalità dell’invenzione qui di seguito indicate.

La ricottura di ricristallizzazione continua avviene a 1000°C per 90s in atmosfera non decarburante con attività del carbonio nell’atmosfera di ricottura pari a 0,15, contenuto di azoto 100%, dew point -25°C.

Il prodotto finale esibisce le seguenti caratteristiche meccaniche Rp0.2 290MPa, Rm 1000MPa e A80 90%, ed ha la microstruttura austenitica.

Questo prodotto viene utilizzato per la fabbricazione di componenti automobilistici che richiedono elevata resistenza meccanica ed elevata formabilità, quali ad esempio elementi strutturali di automobili.

Esempio 2

Un acciaio, contenente C 0.6; Mn 17;Si 0,3; Al 0,04; P+Sn+Sb+As<0,1; S+Se+Te 0,01; N 0,05; Re+W 0,2, a parte il ferro e le inevitabili impurezze, viene sottoposto al procedimento secondo la presente invenzione.

Un tubo di spessore 2.0 mm di questo acciaio ottenuto da un impianto di colata continua viene laminato a caldo, laminato a freddo e sottoposto a ricottura di ricristallizzazione con le modalità dell’invenzione qui di seguito indicate.

La ricottura di ricristallizzazione à ̈ in batch a 750° C per 180 minuti. L’attività del carbonio nell’atmosfera di ricottura à ̈ pari a 0,15, la percentuale di azoto nel forno à ̈ 95%, il dew point à ̈ -30°C, e l’idrogeno presente à ̈ pari al 5%.

Il nastro finale esibisce le seguenti caratteristiche meccaniche Rp0.2 310MPa, Rm 950MPa e A80 80% ed ha la microstruttura austenitica.

Questo prodotto viene utilizzato per la preparazione di componenti automobilistici che richiedono elevata resistenza meccanica ed elevata duttilità, quali ad esempio le barre di rinforzo strutturali di automobili. Esempio 3

In questo esempio comparativo vengono messi a confronto, in termini di proprietà meccaniche, microstruttura e condizione di fornitura, gli acciai TWIP degli esempi 1 e 2, ottenuti con il procedimento della presente invenzione, e gli acciai comparativi TRIP 800, HSLA S700MC e DP 980.

I risultati del confronto vengono riportati nella seguente tabella:

Rp0.2 Rm A80 Microstruttura Condizione (MPa) (MPa) (%) di fornitura Esempio 290 1000 90 Austenite laminato a 1 caldo e a freddo Esempio 310 950 80 Austenite laminato a 2 caldo e a freddo TRIP 800 500 850 30 Ferrite Bai- laminato a nite / Marten- caldo e a site Austeni- freddo te residua

HSLA 700 850 15 Ferrite Bai- laminato a (S700MC) nite caldo DP 980 650 1000 14 Ferrite Mar- laminato a tensite freddo

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di acciaio austenitico ad alto contenuto di Mn tipo TWIP (Twinning Induced Plasticity, Plasticità Indotta da Geminazione) con elevata resistenza meccanica e formabilità, caratterizzato dal fatto che l’acciaio ha la seguente composizione chimica espressa in percentuale in peso: C 0.2-1.5; Mn 10-25; Ni<2: Si 0.05-2.00; Al 0.01-2.0; N<0.1; P+Sn+Sb+As<0.2; S+Se+Te<0.5; Nb+Co<1 e/o Re+W<1, la rimanente parte essendo Fe e le inevitabili impurezze, e che dopo laminazione a freddo viene sottoposto a ricottura di ricristallizzazione eseguita in modo continuo ad una temperatura compresa nell’intervallo 900°C-1100°C per un tempo compreso tra 60 e 120 secondi o in modo discontinuo ad una temperatura compresa nell’intervallo 700°C-800°C per un tempo compreso tra 30 e 400 minuti, essendo l’atmosfera di ricottura tale che l’attività del carbonio acà ̈ compresa tra 0.1 e 1.0, il contenuto di azoto N2à ̈ compreso tra 90% e 100% per la ricottura continua e tra 0% e 100% per la ricottura in modo discontinuo, il contenuto di idrogeno à ̈ compreso tra 0% e 10% per la ricottura continua e tra 0% e 100% per la ricottura in modo discontinuo, il punto di rugiada (dew point) à ̈ inferiore a 0°C e preferibilmente compreso tra -10°C e -50°C.
2. 2. Procedimento come da rivendicazione 1, in cui gli intervalli di composizione preferiti per singoli elementi di lega o per combinazioni di elementi di lega, indipendentemente gli uni dagli altri, sono: C 0.4-0.8; Mn 16-19; Ni<1.0; Si 0.2-0.4; Al 0.1-1.5; N 0.01-0.05; Nb+Co 0.1-0.4 e/o Re+W 0.3-0.7.
3. 3. Procedimento come da rivendicazione 1 o 2, comprendente l’ulteriore operazione di realizzare un rivestimento metallico ottenuto a caldo tramite una lega a base di zinco contenente magnesio e alluminio.
4. 4. Acciaio austenitico con plasticità indotta da geminazione (Twinning Induced Plasticity, TWIP), caratterizzato dal fatto di essere ottenibile con il procedimento della rivendicazione 1 o 2 e di avere le seguenti caratteristiche meccaniche: Rp0.2 compreso fra 250 e 350 MPa Rm compreso fra 850 e 1100 MPa A80 compreso fra 60 e 100 %.
5. 5. Acciaio austenitico rivestito di una lega a base di zinco contenente magnesio e alluminio, caratterizzato dal fatto di essere ottenibile con il procedimento della rivendicazione 3.
6. 6. Uso dell’acciaio austenitico di rivendicazione 4 o 5 per la fabbricazione di componenti a geometria complessa, per l’assorbimento di energia, per rinforzi strutturali e per applicazioni automobilistiche.
7. 7. Acciaio ad alto manganese, caratterizzato dal fatto di avere la seguente composizione chimica espressa in percentuale in peso: C 0.2-1.5; Mn 10-25; Ni<2: Si 0.05-2.00; Al 0.01-2.0; N<0.1; P+Sn+Sb+As<0.2; S+Se+Te<0.5; Nb+Co<1 e/o Re+W<1, la rimanente parte essendo Fe e le inevitabili impurezze.
8. 8. Acciaio come da rivendicazione 7, in cui gli intervalli di composizione preferiti per singoli elementi di lega o per combinazioni di elementi di lega sono: C 0.4-0.8; Mn 16-19; Ni<1.0; Si 0.2-0.4; Al 0.1-1.5; N 0.01-0.05; Nb+Co 0.1-0.4 e/o Re+W 0.3-0.7.