CN101410543A - 冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冲击吸收性能优异的结构构件用不锈钢板。本发明的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，以质量％计，含有C：0.005～0.05％、N：0.01～0.30％、Si：0.1～2％、Mn：0.1～15％、Ni：0.5～8％、Cu：0.1～5％、Cr：11～20％、Al：0.01～0.5％，其余量由Fe以及不可避免的杂质组成，由(A)式给出的Md30值为0～100℃，动态拉伸试验中的总冲击吸收功为500MJ/m3以上。Md30＝551－462(C+N)－9.2Si－8.1Mn－13.7Cr－29(Ni+Cu)…(A)。

Description

冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板
技术领域
本发明涉及主要作为需要强度和冲击吸收性能的结构构件使用的不锈钢板，特别是涉及汽车、公共汽车的前纵梁、支柱、保险杠等冲击吸收构件以及行走部分构件、铁道车辆的车体、自行车的轮圈等结构构件用的钢板。
背景技术
近年来从环境问题的观点出发，汽车、两轮车、公共汽车、铁道车辆等运输设备的燃效的提高成为最重要的课题。作为其解决手段之一，车体的轻量化正被积极推进。车体的轻量化较大地依靠形成构件的坯材的轻量化，具体而言，依靠坯材板厚度的减薄，但若将坯材板厚度减薄，则刚性和碰撞安全性能会降低。作为提高碰撞安全性的对策，构成构件的材料的高强度化是有效的，普通高强度钢板适用于汽车的冲击吸收构件。然而，普通钢其耐蚀性低，因此进行重复涂装成为前提，不能用于未涂装或轻涂装的构件，或者由于重复涂装而成本提高。另外，对于普通钢而言，虽然可通过固溶强化、析出强化、复相组织化、加工诱发相变等各种方法实现高强度化，但均存在伴随着高强度化延性显著降低的缺点。若延性降低则难以加工成结构构件，结构的自由度将大大降低。
而含有Cr的不锈钢与普通钢相比，耐蚀性有较大幅度的优势，因此可期待由锈留余量(将由于锈而引起的厚度降低估算在内的厚度分量)降低带来的轻量化和省略涂装。另外，奥氏体系不锈钢其强度-延性的平衡性优异，通过调整化学成分可期待获得高强度-高延性。而且，对于碰撞安全性的提高，例如考虑车辆碰撞的情况下，如果将具有高的冲击吸收能力的材料用于车辆框架，则通过构件压坏变形来吸收冲击，从而可缓和给予车辆内的人员的冲击。即，由车体轻量化带来的燃效提高、涂装简略化、安全性提高等优点增大。
例如，作为铁道车辆的结构构件，耐蚀性优异的SUS301L和SUS304等延性高、成形性优异的奥氏体系不锈钢板在被使用。日本特开2002-20843号公报中，以主要用于铁道车辆以及一般车辆的结构构件、补强材料为目的，公开了在高变形速度下的冲击吸收能力优异的奥氏体系不锈钢。该不锈钢是通过对于含有6～8％Ni并具有奥氏体组织的坯材，在变形时生成加工诱发马氏体相而在高速变形下进行高强度化的，规定了动态拉伸变形时和静态拉伸变形时的变形强度、最大强度、加工硬化指数等。然而，在关于以高速受到冲击时在安全方面最重要的冲击吸收功这一点上并不充分，此外虽然动态变形强度和静态变形强度之差高，但在静态变形强度低的情况下，有时碰撞性能差。另外，虽然规定了最大动态强度与最大静态强度的比率作为静动比，但由于较低变形区域的强度，例如屈服强度(proofstress)对碰撞时的冲击吸收特性影响较大，因此若采用最大强度的比率有时成为问题。此外，碰撞时受到较大变形的场合，不仅强度，往往坯材延性也有所贡献，作为吸收功特性，必须是考虑直至破坏的较大变形的设计。即，日本特开2002-20843号公报关于车辆碰撞时的安全性能即冲击吸收特性并不充分。另外，由于较多量地含有Ni，因此成本增高，难以适用于汽车、两轮车以及公共汽车等一般车辆。
另外，通过淬火来高强度化的马氏体系不锈钢板(例如SUS420)，存在延性显著低、焊接区韧性显著低的问题。汽车、公共汽车、铁道车辆其焊接结构较多，因此在焊接区韧性低的情况下，作为结构物的可靠性会大大降低。此外，铁素体系不锈钢板(例如SUS430)其强度较低，因此不适合于要求强度的构件，由于构件高速变形时的冲击吸收功较低的问题，不能使碰撞安全性能提高。
发明内容
由此来看，尚没有确保不锈钢板的成形性并确保作为车辆结构构件的碰撞安全性能的提高高速变形时的冲击吸收功的技术。本发明是解决上述课题，提供高强度且高速变形时的冲击吸收特性优异的不锈钢板的发明。
本发明者们关于受到高速变形时的变形机理实施金属组织研究的结果，发现了确保奥氏体系不锈钢的优异的可加工性并提高高速变形时的冲击吸收功的技术。具体地讲，为了使在应变速度103/秒这一超高速变形时的变形阻力上升，通过主动充分利用加工诱发相变而使加工硬化能力增大，使构件碰撞时的强度和延性飞跃地提高，由此使冲击吸收功增大。由此，吸收车体碰撞时的冲击，并且将车体破坏控制在最小限度，使乘员的安全性格外提高。本发明的要旨如下。
(1)一种冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，以质量％计，含有C：0.005～0.05％、N：0.01～0.30％、Si：0.1～2％、Mn：0.1～15％、Ni：0.5～8％、Cu：0.1～5％、Cr：11～20％、Al：0.01～0.5％，其余量由Fe以及不可避免的杂质组成，由(A)式给出的Md30值为0～100℃，动态拉伸试验中的总冲击吸收功为500MJ/m3以上，
Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)...(A)。
(2)根据(1)所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，屈服强度的静动比为1.4以上。
(3)根据(1)或(2)所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，静态拉伸试验中的抗拉强度为600MPa以上，断裂延伸率为40％以上。
(4)一种冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，以质量％计，含有C：0.005～0.05％、N：0.01～0.30％、Si：0.1～2％、Mn：0.1～15％、Ni：0.5～8％、Cu：0.1～5％、Cr：11～20％、Al：0.01～0.5％，其余量由Fe以及不可避免的杂质组成，由(A)式给出的Md30值为0～100℃，动态拉伸试验中的直到10％应变的冲击吸收功为50MJ/m3以上，
Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)...(A)。
(5)根据(4)所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，屈服强度的静动比为1.4以上。
(6)根据(4)或(5)所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，静态拉伸试验中的抗拉强度为600MPa以上，断裂延伸率为40％以上。
(7)根据(4)或(5)所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，静态拉伸试验中的抗拉强度为700MPa以上，断裂延伸率为5％以上。
再者，所谓动态拉伸试验中的总冲击吸收功，为以与车辆碰撞时的应变速度对应的103/秒进行高速拉伸试验时的直到断裂的冲击吸收功；所谓直到10％应变的冲击吸收功，为在上述高速拉伸试验中直到10％应变区的冲击吸收功。另外，静态拉伸试验是以通常的拉伸速度(应变速度10-3～10-2/秒)进行的拉伸试验。
附图说明
图1是表示Md30值与高速拉伸试验中的总冲击吸收功的关系的图。
图2是表示Md30值与高速拉伸试验中的直到10％应变的冲击吸收功的关系的图。
具体实施方式
以下对本发明的限定理由进行说明。
本发明中，在高速下受到冲击时的冲击吸收功为关键点。由于车辆碰撞时的冲击施加于结构构件，因此形成构件的材料的冲击吸收能力很重要。以往并没有尝试提供考虑了较高应变速度下的冲击吸收功的不锈钢，而且是甚至在车辆设计中也未进行的状态。车辆用的结构构件，大半是以箱(hut)型成形品为代表的方形截面。吸收冲击的应变区根据构成构件不同而不同，但由于碰撞而引起破坏现象的部位，直到材料破坏的冲击吸收功变得重要，因此以总冲击吸收功为指标。关于总冲击吸收功，高速变形时的强度和延性二者较高时较好，以往的高强度钢板虽然强度高，但是断裂延性低，因此总冲击吸收功存在极限。
本发明有效利用延性高、变形中的高加工硬化特性，使总冲击吸收功飞跃地提高，从坯材的观点出发使碰撞安全性能提高到极限。另外，还存在需要直到较低应变区即10％应变区都吸收冲击的部位，直到10％应变区的冲击吸收功也作为指标。这依赖于构件形状，但如“关于汽车材料高速变形的研究会成果报告书”(日本钢铁协会编，p12)所记载，可在汽车的前纵梁等部位适用。
动态拉伸试验中的屈服强度与静态拉伸试验中的屈服强度之比越大，作为碰撞吸收结构体越理想。另外，为了成形为车辆结构构件，优选材料的延性高，作为一般的材质指标，是以静态拉伸试验中的断裂延伸率为指标。
基于上述的材料指标反复研讨的结果，发现：作为具有优异的冲击吸收特性的不锈钢，充分利用了由加工诱发相变引起的加工硬化的奥氏体系不锈钢是最合适的。其次，通过各种的成分调整，控制奥氏体稳定度，由此使其适度地发生高速变形时的加工诱发马氏体相变，从而可确保高速变形时的冲击吸收功。
再者，成为加工诱发马氏体相变的指标的奥氏体稳定度，可基于下述的Md30值(记载于日本不锈钢协会编的不锈钢便览)算出。它是指赋予真应变为0.3的拉伸应变时生成50％的马氏体的温度，已判明使用该值评价冲击吸收功，可以得到本发明所规定的优异的冲击吸收功。
Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)
      -18.5Mo-68Nb  ...(A)。
再者，上述Md30，在不含Mo、Nb的情况下变为下述(A)式：
Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)...(A)。
首先对钢成分进行说明。
C：为了高强度化，必须添加0.005％以上。而大量添加时，成形性和焊接性劣化，因此确定为0.05％以下。考虑到精炼成本以及晶界腐蚀性，更优选为0.01～0.02％。
N：也与C同样对高强度化有效，对冲击吸收功的提高起有益的作用，需要添加0.01％以上。而过度的添加会使成形性和焊接性劣化，因此确定为0.30％以下。考虑到精炼成本、制造性以及晶界腐蚀性，更优选为0.015～0.25％。
Si：是脱氧元素，还是固溶强化元素，对高强度化有效，需添加0.1％以上。而大量的添加会使成形性劣化，使静动比显著降低，因此确定为2％以下。考虑到制造性，更优选为0.2～1％。
Mn：是脱氧元素，也是固溶强化元素，对高强度化有效，并且在高速变形时促进奥氏体相的加工硬化，因此需添加0.1％以上。而大量的添加会生成加工诱发马氏体，或生成水溶性夹杂物MnS，使耐蚀性劣化，因此确定为15％以下。考虑到制造工序中的酸洗性等，更优选为1～10％。
Ni：是提高耐蚀性的元素，并且为了生成奥氏体相，需要0.5％以上。而大量的添加除了导致原料成本显著增加以外，还会生成加工诱发马氏体，因此确定为8％以下。考虑到制造性、应力腐蚀裂纹、时效裂纹等，更优选为1.5％～7.5％。
Cu：使成形性提高，并有助于静动比提高，因此添加0.1％以上。其在成分调整工序中从废料等混入的情况下也有效。然而，添加量超过5％时会生成加工诱发马氏体，因此确定为5％以下。考虑到制造时的酸洗性等，更优选为0.1～4％。
Cr：为主要元素，从耐蚀性的观点出发，需添加11％以上。而过度的添加会导致为了进行组织调整而必须大量添加其他元素，因此上限确定为20％。更优选为14～18％。
Al：除了有时作为脱氧元素而添加以外，使硫化物无害化，有助于部件加工中的扩孔性等可加工性的提高。这些效果在为0.01％以上时呈现，因此下限确定为0.01％。添加量超过0.5％时，会发生表面缺陷以及产生制造性的劣化，因此上限确定为0.5％。考虑到成本等，更优选为0.1～0.5％。
材料受到冲击时，呈现奥氏体相转变成马氏体相的加工诱发相变，在变形中高效率地发生加工硬化。当在变形时高效率地产生马氏体相时，在高强度化的同时，防止缩颈，有助于延性提高。由于马氏体相变受应变和温度的影响，因此在高速变形时由于加工发热，马氏体的生成得到抑制，但本发明发现，与静态变形相比，动态变形时在变形初期阶段有时马氏体的生成得到促进。这是由于依赖于成分的相变对应变速度的依赖性的缘故，由于该效应，高速变形时的冲击吸收功飞跃地提高。
对于各种不锈钢板(板厚1.5mm)，以103/秒的应变速度进行动态拉伸试验时，Md30值对总冲击吸收功以及直到10％应变的冲击吸收功的影响，分别示于图1和图2。
由图看出，在本发明范围下，总冲击吸收功、直到10％应变的冲击吸收功均显示出优异的值。可以认为当Md30值过度高时，变形中产生的马氏体相过多，在奥氏体相与马氏体相的界面发生裂纹，并使延性降低。根据现有的见解(例如CAMP-ISIJ，Vol9(1996)，p1101，图4，“汽车材料研讨会”(社)日本钢铁协会，平成9年，p71)，高强度钢在高速变形时的总冲击吸收功约为小于400MJ/m3。
本发明中，作为与以往的高强度钢相比具有极高的冲击吸收特性的钢，将总冲击吸收功规定为500MJ/m3以上，由图1和图2，将Md30的范围规定为0～100℃。在本发明的Md30值的范围下，关于直到10％应变的冲击吸收功，可以得到50MJ/m3以上。进行各种研讨的结果，如果可以得到50MJ/m3以上的冲击吸收功，则作为在较低应变区下的冲击吸收特性是足够的，因此关于直到10％应变的冲击吸收功，规定为50MJ/m3以上。再者，冲击吸收功的上限并无特别规定，由于能够得到本发明的效果，因此上限值不规定。
静动比，是表示加工硬化对变形速度的依赖性的指标，是动态拉伸试验中的屈服强度与静态拉伸试验中的屈服强度的比率，即在此为(以103/秒的应变速度进行动态拉伸试验时的屈服强度)/(以10-2/秒的应变速度进行静态拉伸试验时的屈服强度)。由于静动比表示在汽车碰撞之类的高速下变形时硬化怎样的程度，因此其值越大，作为冲击吸收结构构件越理想。例如，“关于汽车材料高速变形的研究会成果报告书”(日本钢铁协会编，平成13年，p12，图6)中记载了现有钢的静动比，但在具有600MPa以上的抗拉强度的情况下，静动比为1.3以下。本发明关于静动比规定为1.4以上，提供了具有现有钢所不能达到的高强度-高静动比的钢。再者，上限并不特别规定，由于能够得到本发明的效果，因此上限值不规定。
本发明的不锈钢为了被加工作为结构构件，其成形性变得重要。如先前所述，作为构件形状大半是以箱型成形品为代表的方形截面，由于被弯曲和拉深成形，因此材料的延性是必需的。关于冲击吸收构件的加工方式进行各种研讨的结果判明，关于对材料进行静态拉伸试验时的抗拉强度为600MPa以上的情况，如果断裂延伸率为40％以上，就能够充分成形，因此将静态拉伸试验中的断裂延伸率规定为40％以上。
根据部件不同，还有要求700MPa以上的高强度的部件，但关于这样的高强度材料，在冷轧和退火后实施调质轧制来进行强度调整。再者，材质上的上限并不特别需要，但在制造以及实用上，上限为1600MPa。关于实施调质轧制的情况下的压下率，只要相应于必要强度水平来设定即可，但考虑到制造性等，优选为1～70％左右。这样制造的钢板，虽然静态拉伸试验中的断裂延伸率降低，但由于上述的抗拉强度水平的钢板需要断裂延伸率为5％以上，因此规定为5％以上，更优选为10％以上。
再者，对本发明中的钢板的制造方法没有特别规定，制品板厚根据要求来选择即可。热轧条件、热轧板厚、热轧板以及冷轧板退火温度、气氛等适宜选择即可。关于冷轧中的道次规程(pass schedule)和压下率、辊径，也不需要特别的设备，高效率地使用已设的设备即可。调制轧制时有无润滑、和道数(pass number)等也无特别规定。另外，在冷轧和退火后或调制轧制后，也可以给予张力矫直来进行形状矫正。此外，制品组织基本上以奥氏体相为主体，但也可以生成铁素体、马氏体相等第二相。
实施例
以下通过实施例来具体说明本发明。炼制表1所示的化学组成的钢，铸造成板坯，将板坯热轧后实施退火和酸洗，冷轧到1.5mm厚，实施退火和酸洗，然后实施调质轧制，制成制品板。对于这样得到的制品板，进行了上述的静态拉伸试验和动态拉伸试验。
表1示出与前面发明内容部分中的技术方案(1)～(6)对应的实施例。具有本发明所规定的成分组成的钢，与比较例钢相比，直到破坏的总冲击吸收功、直到10％应变的低应变区下的冲击吸收功的任一项都高，冲击吸收特性优异。其适合于受到较大变形的冲击吸收构件。另外，静态拉伸试验中的断裂延伸率高，延性优异，因此在成形为复杂的结构体时也很理想。
表2示出与前面发明内容部分中的技术方案(7)对应的实施例。通过调整调质轧制的压下率，而使抗拉强度为700MPa以上、断裂延伸率为5％以上的本发明例，动态拉伸试验中的直到10％应变的冲击吸收功较高，为50MJ/m3以上，静动比也为1.4以上，适合于需要在低应变区吸收冲击的高强度构件。
Figure A20078001114900121
表2
Figure A20078001114900131
注)下划线表示在本发明的范围之外。
产业上的利用可能性
由以上说明明确可知，根据本发明，即使不大量添加特别高价格的合金元素，也能够提供高强度的冲击吸收性能优异的不锈钢板。通过用于特别是与汽车、公共汽车、铁道等运输相关的结构构件，可获得由于轻量化而对环境友好、碰撞安全性提高等产业上有用的显著效果。
本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。

Claims (7)

1.一种冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，以质量％计，含有C：0.005～0.05％、N：0.01～0.30％、Si：0.1～2％、Mn：0.1～15％、Ni：0.5～8％、Cu：0.1～5％、Cr：11～20％、Al：0.01～0.5％，其余量由Fe以及不可避免的杂质组成，由(A)式给出的Md30值为0～100℃，动态拉伸试验中的总冲击吸收功为500MJ/m3以上，
Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)  ...(A)。
2.根据权利要求1所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，屈服强度的静动比为1.4以上。
3.根据权利要求1或2所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，静态拉伸试验中的抗拉强度为600MPa以上，断裂延伸率为40％以上。
4.一种冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，以质量％计，含有C：0.005～0.05％、N：0.01～0.30％、Si：0.1～2％、Mn：0.1～15％、Ni：0.5～8％、Cu：0.1～5％、Cr：11～20％、Al：0.01～0.5％，其余量由Fe以及不可避免的杂质组成，由(A)式给出的Md30值为0～100℃，动态拉伸试验中的直到10％应变的冲击吸收功为50MJ/m3以上，
Md30＝551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)   ...(A)。
5.根据权利要求4所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，屈服强度的静动比为1.4以上。
6.根据权利要求4或5所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，静态拉伸试验中的抗拉强度为600MPa以上，断裂延伸率为40％以上。
7.根据权利要求4或5所述的冲击吸收特性优异的结构构件用不锈钢板，其特征在于，静态拉伸试验中的抗拉强度为700MPa以上，断裂延伸率为5％以上。
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