Obróbka cieplna stali średniomanganowych dla motoryzacji

Nowoczesne materiały konstrukcyjne wykorzystywane w branży automotive powinny łączyć wysoką wytrzymałość z dobrą formowalnością – są to własności do niedawna wykluczające się. Z drugiej strony koszty produkcji muszą być relatywnie niskie, gdyż aspekt ekonomiczny jest niezwykle ważny w obecnych czasach. Wymienione własności wytrzymałościowe można uzyskać dzięki rozdrobnieniu ziarna, jak również wygenerowaniu w stali austenitu szczątkowego. Jego przemiana powoduje znaczne umocnienie materiału podczas odkształcenia. Koszty produkcji maleją wraz z ograniczeniem zawartości drogich dodatków stopowych. Cechy te można odnaleźć wśród stali średniomanganowych.

Wciąż rosnące wymagania dotyczące redukcji masy samochodów oraz bezpieczeństwa w branży automotive stanowią siłę napędzającą rozwój nowych gatunków oraz metod obróbki cieplnej stali. W oparciu o te wymagania powstały dwie nowe grupy wysokowytrzymałych stali wielofazowych – AHSS. Pierwsza grupa to zaliczane do I generacji niskostopowe stale wysokowytrzymał. Cechują się one dobrymi własnościami mechanicznymi (R_m do 900 MPa, A do 25%), będące jednocześnie relatywnie tanie w wytwarzaniu. Druga grupa to stale wysokostopowe (II generacji). Charakteryzują się one bardzo dobrym połączeniem wytrzymałości z plastycznością (R_m do 1000 MPa, A do 50%); okazują się one jednak mało ekonomiczne dla masowego zastosowania. Wynika to z konieczności stosowania dużych ilości pierwiastków stopowych: 20-30% Mn, 1-3% Al, 1-3% Si.

W ostatnich czasach pojawiła się nowa generacja stali AHSS mogąca wypełnić obszar istniejący pomiędzy obiema poprzednimi grupami. Wśród nowych typów zaliczanych do III generacji stali AHSS, takich jak stale martenzytyczne QP z austenitem szczątkowym czy stale bainityczne z efektem TRIP, wyłoniła się kolejna grupa mająca potencjał, aby spełnić rygorystyczne wymogi branży automotive – grupa stali średniomanganowych.

Doskonałe połączenie wytrzymałości, plastyczności, a także wysoka pochłanialność energii, tak ważne przy konstruowaniu nowoczesnych pojazdów, uzyskuje się dzięki zastosowaniu wyselekcjonowanych cykli obróbki cieplnej. Pozwalają one wygenerować w strukturze duży udział austenitu szczątkowego – stabilnego w temperaturze pokojowej, a ulegającego przemianie martenzytycznej podczas odkształcenia (efekt TRIP). Głównym celem obróbki cieplnej z perspektywy chemicznej jest wzbogacenie austenitu w węgiel oraz mangan. Skutkuje to obniżeniem punktu rozpoczęcia przemiany martenzytycznej poniżej temperatury pokojowej, dzięki czemu podczas chłodzenia stali ziarna austenitu nie ulegają przemianie [1].

Charakterystyka stali średniomanganowych

Stale średniomanganowe charakteryzują się zawartością manganu od 3 do 12%. Najczęściej stosowane są jednak te o zawartości 5-8% oraz węgla – 0,1-0,25%. W zależności od przeprowadzonej obróbki cieplnej wykazują one ultradrobnoziarnistą strukturę ferrytyczno-austenityczną lub bainityczno-martenzytyczną z austenitem szczątkowym. W stalach tych dąży się do wygenerowania dużego udziału austenitu szczątkowego, zazwyczaj kształtującego się na poziomie 20-40%. Tak duży udział fazy γ można uzyskać dzięki rozdrobnieniu ziarna oraz wzbogaceniu austenitu w pierwiastki go stabilizujące, tzn. C i Mn. Powyższy proces polega na wprowadzeniu stali do obszaru temperatury występowania dwóch faz. Podczas tego etapu w stali tworzy się mieszanina faz γ (austenitu) oraz α – ferrytu lub bainitu ferrytycznego/martenzytu (w zależności od obróbki cieplnej). Faza α w stali wykazuje bardzo niską rozpuszczalność węgla, powodując, że jego nadmiar jest wypierany. Przechodzi on na drodze dyfuzji do austenitu, wzbogacając go oraz stabilizując do temperatury pokojowej (przez obniżenie temperatury początku przemiany martenzytycznej).

Galeria

Zobacz więcej