Влияние ниобия на высокопрочные стали с металлическими покрытиями для автомобилестроения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние ниобия на высокопрочные стали с металлическими покрытиями для автомобилестроения

Высокопрочные марки сталей находят широкое применение к конструкции современных кузовов автомобилей, и доля их использование постоянно возрастает. Эти марки сталей обычно имеют поверхность, подвергнутую горячей металлизации или металлизации с отжигом. Поэтому металлургия подобных сталей направлена на достижение требуемых свойств в типичном термическом цикле линии холодной металлизации. После получения опыта работы с этими марками сталей в процессе производства автомобилей последних поколений была поставлена цель улучшения их особых свойств, в особенности штампуемости и свариваемости. В этой связи значительное внимание привлекло к себе микролегирование ниобием. Типичное, хорошо известное влияние ниобия заключается в уменьшении размера зерна во время горячей прокатки в условиях термомеханической обработки, что приводит к повышенной прочности и улучшенной ударной вязкости. Уменьшение размера зерна в горячекатаной стали осуществляется после холодной прокатки. Результирующим вторичным эффектом, особенно в случае многофазных сталей, является более гомогенная микроструктура. Это приводит к улучшению штампуемости в специфический условиях, таких как изгиб и отбортовка. Далее, повышение прочности за счет уменьшения размера зерна и дисперсионного упрочнения в принципе позволяет снизить содержание легирующих добавок и улучшить свариваемость. Другим интересным эффектом ниобия является его влияние на фазовые переходы во время термического цикла в линии холодной металлизации. Это влияние может быть использовано для расширения диапазона условий обработки и дополнительной оптимизации эксплуатационных характеристик стали.

Одна из наиболее незыблемых закономерностей в современном автомобилестроении заключается в том, что новый автомобиль всегда получается более тяжелым, чем предшествующая ему модель. Это обусловлено увеличением размеров автомобилей, более высокими требованиями к безопасности и расширением функциональности. С учетом высоких цен на топливо и дискуссий по вопросу снижения выбросов вредных веществ в атмосферу, особенно CO₂, приоритетными целями в современном автомобилестроении остаются снижение веса и, тем самым, лучшая топливная экономичность. На рисунке 1 показан вклад различных важных узлов в общий вес автомобилей, а также их вклад в увеличение веса от предыдущего поколения автомобилей к последующему¹⁾.

Рисунок 1. Вклад узлов автомобиля в общие вес и увеличение веса¹⁾

Очевидно, что на кузов приходится не только большая часть веса автомобиля, но он является и основным фактором увеличения веса. Поэтому усилия, направленные на снижение веса, должны в первую очередь фокусироваться на кузове автомобиля. Хотя алюминий обладает высоким потенциалом с точки зрения снижения веса черного кузова, он не получил широкого распространения из-за высокой стоимости и некоторых сложностей в процессе производства автомобилей. В противоположность этому использование современных высокопрочных сталей позволило снизить вес черного кузова и одновременно уменьшить стоимость. В последнее время благодаря широкому использованию высокопрочных сталей некоторые производители автомобилей сумели снизить вес кузова автомобиля нового поколения до величины менее веса кузова автомобиля предыдущего поколения, несмотря на повышенную функциональность. На рисунке 2 показан пример, иллюстрирующий важность использования современных многофазных сталей для достижения этой цели²⁾.

Рисунок 2. Эволюция структурного веса кузова автомобилей BMW 3 серии²⁾

В современных европейских автомобильных кузовах доля низкопрочных сталей снижается, составляя не более 30%, в то время как в кузовах автомобилей предыдущих поколений их доля составляла около 60%. Основная масса материала в настоящее время приходится на обычные высокопрочные стали с пределом прочности до 550 МПа. Для деталей, требующих предела прочности выше 550 МПа, используются улучшенные высокопрочные стали, из которых наиболее важной группой являются многофазные стали. Это объясняется тем, что у многофазных сталей высокая прочность обычно сочетается с большим удлинением и хорошей штампуемостью в холодном состоянии. У большинства из этих типов листовых сталей ниобий играет важную роль в достижении прочности и оптимизации других эксплуатационных свойств. В данной статье рассматривается возможное влияние микролегирования ниобием на вышеупомянутые характеристики сталей.

Действие ниобия

Ниобий известен как легирующий элемент, позволяющий эффективно управлять процессами аутенизации, рекристаллизации, роста зерна, фазовых переходов и выделением фаз и, тем самым, изменять в широких пределах механические свойства. В случае многофазных сталей ванадий влияет, наряду с прочим, на переход аустенита в феррит и бейнит и, тем самым, на объемное содержание и стабильность остаточного аустенита, что является ключевым фактором, определяющим выдающиеся механические свойства TRIP-сталей. Таким образом, ниобий может быть использован как металлургический инструмент для регулировки микроструктуры и свойств.

Горячая прокатка

Основной эффект ниобия заключается в образовании более мелкозернистой микроструктуры, что связано с задержкой рекристаллизации под влиянием растворенного ниобия и выделением Nb(C,N) в процессе горячей прокатки³⁾. После горячей прокатки микроструктура, образованная дискообразным аустенитом, превращается в мелкозернистый феррит. В случае если не весь Nb выделился после горячей прокатки, он может выделиться во время сматывания в рулон, что приводит к дополнительному увеличению прочности. Этот эффект особенно ярко выражен, когда намотка рулонов происходит при температуре около 600єС. Nb, присутствующий после горячей прокатки в виде твердого раствора, замедляет также процесс фазового перехода аустенита в феррит. Этот эффект в сочетании с пониженной температурой сматывания в рулон около 500єС может привести к особо мелкозернистой феррито-бейнитной микроструктуре, при этом некоторое количество Nb останется в форме твердого раствора.

Холодная прокатка и отжиг

Холоднокатаная листовая сталь подвергается последующему отжигу и процессу металлизации. И именно на такую сталь приходится наибольшая доля среди листовой стали, используемой в современном автомобилестроении. Особенности микроструктуры холоднокатаной ленты неизбежно зависят от микроструктуры, образовавшейся после горячей прокатки. Однако в зависимости от условий отжига можно добиться получения структуры, обладающей характерные особенности. Возможно проведение отжига в камерной печи, тогда продолжительность отжига будет составлять несколько часов при умеренной температуре до 700єС, или возможен непрерывный отжиг при малой продолжительности процесса и более высокой температуре.

Главная задача отжига - рекристаллизация сильно деформированной после холодной прокатки микроструктуры для достижения хорошей штампуемости в холодном состоянии. Nb имеет тенденцию тормозить процесс рекристаллизации, поэтому для достижения полной рекристаллизации температура отжига должна быть повышена. На рисунке 3 показана схема окна процесса для микролегированной стали на линии горячей металлизации, из которой видно, что с повышением содержания ниобия требуется более высокая температура отжига. Однако, если температура превысит 800єС, то эффект дисперсионного упрочнения уже нельзя будет использовать⁴⁾. Рекристаллизация может быть ускорена увеличением обжатия при холодной прокатке. Если сравнить отжиг в камерной печи с непрерывным отжигом микролегированной HSLA-стали, то последний приводит к материалу с более высоким пределом прочности при одинаковом содержании легирующих элементов (рис. 4). C Это обусловлено потерей дисперсионного твердения и образования более крупного зерна при длительном цикле отжига в камерной печи⁵⁾.

Рисунок 3. Диаграмма рекристаллизации микролегированной HSLA-стали во время непрерывного отжига⁴⁾

Рисунок 4. Влияние микролегирования ниобием на предел прочности HSLA-стали для разных процессов отжига⁵⁾

Для холоднокатаной многофазной стали возможны 2 разных подхода к горячей прокатке перед холодной прокаткой⁶⁾. Один из них приводит к мягкому материалу с микроструктурой, образованной ферритом и перлитом. Эта микроструктура требует более высокой температуры сматывания в рулон (около 700єС). Материал хорошо подходит для последующей холодной прокатки. Второй подход заключается в использовании цикла горячей прокатки с более низкой температурой сматывания в рулон в области образования бейнита. Поскольку бейнит образуется при температуре около 500єС и представляет собой относительно твердый компонент микроструктуры, то при холодной прокатке требуются заметно большие нагрузки. Однако ожидается, что этот путь будет приводить к более гомогенной и мелкозернистой микроструктуре и превосходным свойствам отожженного материала. Влияние Nb в последующем цикле отжига может быть следующим:

Nb приводит к уменьшению размера зерна горячекатаного материала и микроструктуры конечного материала, улучшая предел прочности и другие эксплуатационные характеристики.

Nb обеспечивает дополнительный вклад дисперсионного твердения в общее упрочнение материала.

Nb повышает стабильность аустенита за счет замедления скорости образования центров кристаллизации мартенсита в TRIP-стали.

Nb ускоряет реакцию бейнита, особенно при температуре металлизации, обогащая остаточный аустенит углеродом и стабилизируя его.

Путем использования этого влияния ниобия могут быть оптимизированы свойства стали и расширено окно процесса, что приведет к меньшему разбросу свойств.

Улучшение многофазных сталей путем микролегирования ниобием

После накопления начального опыта работы с многофазными сталями в автомобилестроении представляются необходимыми некоторые дополнительные шаги с целью оптимизации их свойств для использования в автомобилях следующих поколений. К этим свойствам относятся штампуемость и свариваемость. Если говорить точнее, то в настоящее время работы ведутся в следующих направлениях:

Уменьшение разброса механических свойств для лучшего подавления отдачи.

Улучшение поведения при изгибе и отбортовке с вытяжкой.

Снижение содержания углерода для обеспечения лучшей свариваемости.

Предотвращение микроструктурных неоднородностей (особенно мартенситовых полос в центральной части листа).

Дальнейшее увеличение прочностных характеристик.

Двухфазные стали

Уровень прочности двухфазных сталей определяются в основном содержанием и прочностью феррита и мартенсита. Прочность феррита может регулироваться за счет твердосплавного твердения, дисперсионного твердения и размера зерна. Поскольку добавление элементов Si и P, приводящих к наиболее эффективному твердосплавному твердению, ограничено вследствие возникновения дефектов поверхности и проблем со свариваемостью, добавление микролегирующих элементов, таких как Nb, приводящих к дисперсионному твердению и уменьшению размера зерна, может оказаться интересной альтернативой.

Было осуществлено несколько проектов по более подробному изучению этих потенциальных возможностей ниобия^7,8). Как упоминалось выше, ниобий оказывает определенный эффект уже за счет образования более мелкозернистой структуры при горячей прокатке. В зависимости от температуры сматывания в рулон большее или меньше количество ниобия остается в твердом растворе (рис. 5). Nb, находящийся в твердом растворе после горячей прокатки, выделяется на стадии отжига, как показано для цикла горячей металлизации на рисунке 5. Во время периода пропитки длительностью около 60 секунд большая часть Nb выделяется в виде мелких частиц, создающих основу для значительного увеличения прочности. При более высокой температуре сматывания в рулон этот эффект проявляется в меньшей степени вследствие уменьшения количества Nb, которое может выделиться на стадии горячей металлизации.

Вторым фактором увеличения прочности является значительное уменьшение размера зерна, достигаемой путем микролегирования ниобием. Это приводит не только к уменьшению размеров зерна феррита и мартенсита, но и обычно к более однородному распределению этих фаз (рис. 6). Отличительной особенностью является предотвращение образования мартенситных полос в центральной части листа, что приводит к улучшению штампуемости. Кроме того, микролегирование ниобием влияет на кинетику переходов после закалки от температуры в интеркритическом интервале отжига. Было замечено, что у микролегированных ниобием двухфазных сталей происходит усиленное образование феррита, особенно при высокой скорости охлаждения⁷⁾. Это приводит к уменьшению количества мартенсита, который богаче углеродом и, соответственно, более прочный. С другой стороны, более мелкозернистая холоднокатаная структура должна способствовать более легкому образованию центров роста аустенита, приводя к более однородному распределению мартенсита после закалки. Таким образом становится возможным получение двухфазных сталей с заданной прочностью с меньшим содержанием хрупкой мартенситной фазы и большим содержанием вязкой ферритной фазы⁸⁾. На практике в таких микролегированных двухфазных сталях можно ожидать присутствия двух видов феррита. Можно предположить, что старый феррит из горячекатаной структуры содержит выделения ниобия. В зависимости от интеркритической температуры отжига этот феррит может не полностью перекристаллизоваться из-за замедляющего влияния ниобия. Этот феррит отличается от нового феррита, образовавшегося при разложении интеркритического аустенита. Таким образом, эти два типа феррита должны обладать разной прочностью.

Рисунок 5 Процесс выделения Nb в стали DP800 во время цикла горячей металлизации (0.1% C, 1.7% Mn, 0.25% Si, 0.55% Cr, 0.03% Nb) ⁹⁾

Без Nb С Nb

Рисунок 6. Влияние микролегирования ниобием на микроструктуру стали DP600⁷⁾

Следствием этих особенностей микроструктуры микролегированных ниобием двухфазных сталей являются некоторые преимущества с точки зрения использования в автомобилестроении:

Было показано, что двухфазные стали с мелкозернистой структурой обладают повышенной стойкостью к расслаиванию при формовочных операциях, связанных с возникновением сильно локализованных напряжений, например, при изгибе, отбортовке и заклепывании. Это особенно полезно в связи с тем, что малые радиусы изгиба являются эффективным средство для подавления отдачи при формовочных операциях.

Повышение прочности за счет уменьшения размеров зерна и дисперсионного твердения позволяет снизить содержание углерода до величин менее 0,1%, особенно у двухфазных сталей с пределом прочности 780 МПа и выше. Это также позволяет уйти от перитектических составов (0.10-0.15% C) подобных сталей и тем самым неоднородных микроструктур, обусловленных сегрегацией. Стали с более низким содержанием углерода в меньшей степени упрочняются при сварке и образуют более пластичный сварной шов.

Двухфазные стали с повышенной прочностью в качестве основной фазы содержат мартенсит. У сталей с такой микроструктурой наблюдается ярко выраженный эффект снижения твердости в зоне термического воздействия вследствие отжига мартенсита. Микролегированные ниобием двухфазные стали с таким же уровнем прочности содержат меньше мартенсита, благодаря чему снижается риск снижения твердости в зоне термического воздействия.

Было обнаружено, что добавление ниобия к двухкомпонентным сталям расширяет окно процесса во время отжига в линии горячей металлизации, что приводит к меньшему разбросу свойств стали.

TRIP-стали

Механические свойства TRIP-сталей определяются количеством и прочностью феррита, бейнита и аустенита и, в особенности, устойчивостью остаточного аустенита к мартенситному превращению, вызванному напряжениями. Как и в случае двухфазных сталей, общее управление структурой и размером различных фаз представляется ключевым фактором в оптимизации конечных механических свойств стали. Микролегирование ниобием упрочняет ферритную матрицу за счет уменьшения размера зерна и дисперсионного твердения. Было обнаружено, что при производстве холоднокатаной TRIP-стали сочетание низкой температуры намотки рулонов (~500°C) после горячей прокатки и микролегирование ниобием вызывают значительное снижение температуры начала мартенситного превращения¹⁰⁾. Оставшийся в растворе ниобий при интеркритическом отжиге выделяется в виде мельчайших частиц, ограничивая размер зерна и обеспечивая однородную микроструктуру.

Согласно некоторым авторам^11,12), температура сматывания в рулон определяет состояние выделенного ниобия при легировании TRIP-сталей ниобием. При низкой температуре (около 500єС) Nb частично остается в форме твердого раствора, в то время как при более высокой температуре (700°C) образуются крупные частицы Nb и его влияние на механические свойства уменьшается. При температуре сматывания в рулон между 600 и 650єС образуются мелкозернистые выделения, формирующие микроструктуру со взаимно переплетенными частицами, благодаря чему могут быть достигнуты высокие значения пределов прочности.

Имеется также указание на то, что мелкозернистая микроструктура ответственна за замедленное образование бейнита в легированных ниобием TRIP-сталях. Замедленное образование бейнита приводит к ускоренному образованию феррита во время охлаждения благодаря эффективному образованию центров роста в мелкозернистой микроструктуре. Ускоренное образование феррита, в свою очередь, приводит к более эффективному обогащению углеродом остаточного аустенита, стабилизируя его и замедляя образование бейнита¹¹⁾. В дополнение к усиленному образованию феррита ответственным за медленную кинетику образования бейнита может быть деактивация центров роста бейнита чрезвычайно мелкозернистыми карбонитридами¹¹⁾. Сообщается также, что небольшое количество ниобия, остающегося в твердом растворе, также замедляет образование бейнита¹³⁾.

Рисунок 7. Влияние времени бейнитной выдержки при 400єС на прочностные характеристики⁷⁾

Рисунок 8. Влияние температуры отжига при металлизации на содержание остаточного аустенита⁸⁾

Замедление образования бейнита оказывает положительный эффект во время «overaging» (длительная выдержка при высокой температуре) или при производстве TRIP-сталей, подвергающихся металлизации с отжигом. Микролегированные Nb TRIP -стали сами по себе обладают высоким пределом прочности даже без «overaging», и увеличение прочности при «overaging» довольно незначительно. Точно так же предел прочности при растяжении снижается лишь незначительно, в то время как у не микролегированных ниобием TRIP-сталей при «overaging» наблюдается значительное снижение предела прочности при растяжении⁷⁾.

Для достижения достаточной адгезии различных фаз ZnFe часто требуются повышенные температуры отжига. Однако повышенная температура отжига металлического покрытия приводит к риску разрушения остаточного аустенита. Разложение аустенита при отжиге, как показано на рисунке 7, может быть значительно снижена в результате микролегирования ниобием. В случае горизонтальных линий содержание остаточного аустенита в микролегированной ниобием TRIP-стали представляется остающимся постоянным независимо от температуры отжига. Однако, судя по механическим характеристикам, последняя из сталей является, скорее, двухфазной сталью с очень высокой прочностью и поведением TRIP-стали, в то время как при использовании вертикальной линии такое же содержание легирующих добавок приводит к образованию стали TRIP 800⁸⁾.

Как и в случае двухфазных сталей, более мелкозернистая микроструктура микролегированных ниобием TRIP-сталей обеспечивает лучшие технологические свойства при методах формообразования, связанных с высокими локальными напряжениями (изгиб, отбортовка с вытяжкой). Кроме того, образования вредных полос мартенсита в центральной части листовой стали, особенно при большой толщине листа с, соответственно, меньшим обжатием при холодной прокатке, можно избежать путем микролегирования ниобием¹⁴⁾.

Микролегирование ниобием не часто использовалось в первых поколениях многофазных сталей, а тем временем интенсивные исследования выявили возможные ценные особенности с точки зрения надежного производства таких сталей и достижения превосходных технологических свойств. Эти особенности основаны на уменьшении размера зерна, дисперсионном твердении, управлении фазовыми переходами при микролегировании ниобием и соответствующей обработке при горячей прокатке, холодной прокатке и металлизации. Собрав вместе большое количество полученных результатов и экспериментальных данных, можно будет лучше понять влияние ниобия и получить возможность разработки сталей следующих поколений с повышенными механическими свойствами.

Литературные ссылки

ниобий металлизация сталь

1. K. Koglin: Automotive Circle International, Bad Nauheim, 2005.

2. B. Lьdke and M. Pfestorf: Niobium in Advanced Sheet Steels for Automotive Applications, Proc. Of the Int. Symp. On Nb Microalloyed Sheet Steel for Automotive Appl. TMS 2006, 27.

3. W. Mьschenborn, L. Meyer: Thyssen Tech. Ber., 1 (1974), 22.

4. W. Bleck and E. Ratte: Niobium in Advanced Sheet Steels for Automotive Applications, Proc. Of the Int. Symp. On Nb Microalloyed Sheet Steel for Automotive Appl. TMS 2006, 551.

5. W. Bleck, W. Mьschenborn and L. Meyer: Steel Research 59, 344.

6. W. Bleck, A. Frehn and J. Ohlert: Proc. of the International Symp. Niobium 2001, Orlando, 2001, p. 727.

7. Pichler, Th. Hebesberger, S. Traint, E. Tragl, T. Kurz, C. Krempaszky, P. Tsipouridis and E. Werner: The Role of Niobium in Advanced Sheet Steels for Automotive Applications, Proc. Of the Int. Symp. On Nb Microalloyed Sheet Steel for Automotive Appl. TMS 2006, 245.

8. T. Heller, I. Heckelmann, T. Gerber and T. W. Schaumann: Recent Advances of Niobium Containing Materials in Europe, ed. K. Hulka, C. Klinkenberg and H. Mohrbacher, Verlag Stahleisen, Dьsseldorf (2005), 21.

9. L. Garvard: Corus N.V., Ijmuiden - The Netherlands, private communication, 2006.

10. K. Hulka, W. Bleck, and K. Papamantelos: Proc. of the 41st Mechanical Working and Steel Processing Conference, (1999), 67.

11. S. V. Subramanian, M. Prikryl, A. Ulabhaje, and K. Balasubramanian: Interstitial Free Steel Sheet: Processing, Fabrication and Properties, eds. L.E. Collins and D. L. Baragar, Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum, Ottawa, 1991, p. 15.

12. N. Yoshinaga, K. Ushioda, S. Akamatsu and O. Akisue: ISIJ 34 (1994) 24.

13. V.F. Zackay, E.R. Parker, D. Fahr, and R. Busch: ASM Trans. Quart. 60 (1967) pp. 252.

14. S. Traint, A. Pichler, R. Sierlinger, H. Pauli and E. Werner, Steel Research Int.: 77 (2006) No. 9-10, 641.

Размещено на Allbest.ru