TW202043500A

TW202043500A - 在似衝擊之負載事件下具有高能量吸收能力之鋼產物及此鋼產物之用途

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Publication number: TW202043500A
Application number: TW108140449A
Authority: TW
Inventors: 湯瑪士布里奇; 史帝芬慕西; 安德里亞斯羅斯特; 菲利浦史加福尼特; 妮可拉魏索里
Original assignee: 德商伊爾森堡鋼板公司
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-12-01
Also published as: WO2020119981A1; DE102018131774A1; EP3894217A1

Abstract

本發明係關於在似衝擊之負載事件下具有高能量吸收能力之鋼產物，其具有下列以重量%計的合金組成： 0.10至最高少於0.75 C 0.10至4.00 Si 0.50至4.00 Mn 0.05至2.00 Cr 最大0.025 N 最大0.15 P 最大0.05 S，剩餘鐵具有由熔煉引起之雜質，其中其具有經配置之層狀微結構，具有滿足下列要求(方程式1)的鋼產物待達到之能量吸收能力： Emin=450×D-2000 (1)，且E表示以千焦耳(kJ)計的能量吸收能力，數值450是以每mm千焦耳(kJ/mm)計，數值2000是以千焦耳(kJ)計，與D表示以毫米(mm)計的鋼產物厚度。

Description

在似衝擊之負載事件下具有高能量吸收能力之鋼產物及此鋼產物之用途

本發明係關於在似衝擊之負載事件下，特別是在汽車工業或在炮火或爆炸事件下，具有高能量吸收能力之鋼產物，及關於這類鋼產物的用途。術語「裝甲」也是這類鋼產物常見之同義詞。「鋼產物」在下文被理解為係特別關於熱軋產物，比如厚度約3 mm至最高250 mm的厚板及厚度約0.5 mm至最高25 mm的熱片與冷片。

一般來說，這類鋼產物在似衝擊之負載事件下具有高能量吸收能力，即以最大可能方式吸收衝擊能量。在最好情況下，在炮火事件下砲彈會卡在裝甲中，即不會貫穿裝甲。此外，裝甲之塑性變形不會導致鋼產物由於衝擊砲彈而明顯伸長。鋼與在似衝擊之負載事件下(特別是在炮火或爆炸事件下)具有高能量吸收能力之所得鋼產物是長久已知的。例如，新型DE 7138758 U揭露機動車輛之防禦炮火的裝甲及包括外圍的(較佳為表面強化的)鋼板及設置在後面之塑性層。公開文件DE 10 2016 108 278 A1揭露具有附接於上面的且會防禦炮火之非金屬層的鋼之多層片狀複合材料。由於需要另外的層，這些已知的鋼裝甲之製造非常複雜從而昂貴。另外從公開文件DE 10 2005 023 952 A1得知的是用於防炮火保護之安全裝甲，其具有在炮火側上富含以質量計至少0.5之碳的表層區及在外表面上之55 HRC的最低硬度。此裝甲由於在面炮火側上之高碳含量而具有特別的缺點，使得可焊性大大減少。

本發明係根據目的以提供具有高能量吸收能力之鋼產物，其消除了已知裝甲的缺點，更低成本地製造並且很適合於銲接。此外，應當達到這類鋼產物的有利用途。本發明以請求項1與請求項12之特徵解決這些目的。有利配置是從屬請求項之標的。根據本發明，提供在似衝擊之負載事件下具有高能量吸收能力之鋼產物，其在-40℃具有52 HRC的最低硬度與27 J的最小韌性，且其有下列以重量%計的合金組成： 0.10至最高少於0.75 C 0.10至4.00 Si 0.50至4.00 Mn 0.05至2.00 Cr 最大0.025 N 最大0.15 P 最大0.05 S，剩餘鐵具有由熔煉引起之雜質，視需要添加一或多種元素Al、Mo、Ni、Co、W、Ti、Nb或V及Zr和稀土族(REM)，與經配置為層狀的微結構，具有滿足下列要求(方程式1)的最少鋼產物待達到之能量吸收能力Emin： Emin=450×D-2000 (1)，且E表示以千焦耳(kJ)計的能量吸收能力，數值450是以每mm千焦耳(kJ/mm)計，數值2000是以千焦耳(kJ)計，與D表示以毫米(mm)計的鋼產物厚度。

術語「層狀微結構」在本文中是指以片狀被配置於沿鋼產物厚度方向之微結構。較佳地，微結構包括至少兩個具有不同機械性質的不同微結構層。根據本發明之鋼產物消除了先前技術的缺點。鋼產物很適合於銲接並且由於根據本發明之合金組成而導致低成本的製造。本發明係根據測試所發現之結果，其顯示層狀微結構在似衝擊之負載事件下引發沿厚度方向之能量，一開始沿鋼的厚度方向之鋼變形，隨後在其變形基礎中形成裂縫，該裂縫轉移至微結構層邊界，及持續從該處實質沿著垂直於應變的微結構邊界傳播。因此由衝擊能量引發之裂縫不會沿厚度方向貫穿金屬板，而有利的是沿實質垂直於與層結構一致之鋼中應變的方向偏離。因此在可能炮火事件下實現砲彈卡在材料中或彈出使得能量被根據本發明之鋼完全吸收。層狀微結構可例如根據本發明藉由提供從其厚度角度來說變動微結構形成而實現。微結構層可為經配置之主要麻田散鐵、沃斯田鐵、肥粒鐵或變韌鐵。從其與表層區有關的金屬板厚度或片厚度角度來說，可例如透過個別熱處理所建立地實現主要麻田散鐵與內主要肥粒鐵或變韌鐵微結構形成。也可以透過目標影響在鋼產生期間之固化條件使鋼中的低熔相薄層分離以在似衝擊之負載事件下形成用於裂縫傳播的較佳平面。習知鋼產生方法在此可以找到應用，比如擠壓法、扁胚鑄造法與薄片鑄片法及整體鑄造法或垂直或水平鑄片法。已經表明當滿足條件Emin=450×D-2000時，鋼產物之能量吸收能力是足夠的。因此，對厚度10 mm的鋼板而言，這是指鋼之能量吸收能力必須達到至少(450 kJ/mm×10 mm)-2000 kJ=2500 kJ以耐受所提出的要求。層狀微結構之產生也可例如根據本發明藉由軋製包覆法、爆炸包覆法或銲接包覆法實現，其中施用具有不同微結構與/或合金組成之包覆法。另外的表面層硬化方法包含例如氮化、硼化、塗佈、雷射硬化、雷射包覆、噴珠、噴砂等。表面層硬化複雜且帶來高成本。也可以有利方式藉助水平鑄片法鑄造幾個在彼此之上的層。在此可以將彼此不同的二或多個熔體放置到鑄造帶上及在固化期間藉由彼此結合的材料及鑄造帶來合為一體以形成複合材料。鑄鋼在此可具有不同合金組成及例如不同於其碳含量，以便建立具有層狀微結構之梯度材料，其中特別內含元素的梯度與微結構及因此連接之最終機械性質、技術性質與/或功能性質隨著到表面的距離增加而變動。此外，可以根據本發明透過目標固化條件調整沿著金屬板或片厚度的巨觀化學濃度梯度。為了製造至少兩個不同微結構層，也可使熱片、冷片或厚板經受沃斯田熱處理與後續硬化。此外，可以有利方式透過熱軋在二相區α-γ中金屬板或經由在經軋製金屬板之熱處理中的梯度來產生在金屬板中不同微結構。在含量範圍(例如1.00至最高3.00重量%)的定義中術語「至最高」之使用是指也包括基本參數，在例子中1.00與3.00。通常將合金元素添加到鋼中以選擇性影響特定性質。合金元素在此可影響不同鋼中的不同性質。交互作用之效應一般大大取決於另外的合金元素之量、存在及材料中的溶液態。相互關係是多種多樣且複雜的。在下文中，將更詳細地描述在根據本發明之合金中合金元素的效應。在下文中，將描述根據本發明使用之合金元素的正面效應。碳：由於材料之足夠強度的理由，最小含量不應降到低於0.10重量%。從夠低之麻田散體始溫及因此極細微結構但仍然良好可焊性的調整角度來說，碳含量不應高於0.75重量%。當碳含量位於0.20與0.40重量%之間時，在0.20與0.60重量%之間的碳含量已被證明有益，及被實現的最適性質。矽Si：添加較高含量之Si促進固溶體硬化，使比密度與伸長性及韌性減少。較高Si含量導致材料的脆性及影響冷軋與熱軋能力。因此，限定1.0至最高4.0重量%，較佳為0.10至最高3.00重量%，特佳為0.25至最高2.5重量%之Si含量。錳：添加在0.50至最高4.00重量%範圍內之錳根據對鋼合金的個別需求受到在透過較高添加所實現之強度與在較低含量所實現的足夠韌性之間的綜合平衡支配。從極好或最適性質組合角度來說，錳含量應達到在0.75與3.00重量%之間或在1.00與2.50重量%之間。目標添加至少0.05至最高2.00重量%之鉻能夠目標控制肥粒鐵轉變來調整更細的微結構。鉻還可導致時效硬化age-hardening。有利鉻含量是0.10至最高1.75重量%或是在0.25與1.50重量%之間。可以合金化方式添加微合金元素(例如Nb、Ti、V)以達到晶粒細化，尤其合併熱機械軋製法。這些在碳與氮存在下形成沉澱，其抑制了晶界或亞晶界之移動與/或變位。可添加0.0005重量%，有利地0.0025重量%至最大為0.025重量%的含量的氮，以形成精細沉澱(例如碳氮化鈮或鈦)。如果需要，可以合金化方式添加鋁以加速肥粒鐵或變韌鐵轉變，或使麻田散鐵始溫偏移。此外，目標鋁與矽組合(,Al+Si＞4×C')可以抑制雪明碳鐵的析離。如果需要，為了進一步增加強度，可以合金化方式添加作為固溶體硬化劑的例如鉬(最高2.00重量%)、鎳(最高5.00重量%)、鈷(最高2.00重量%)或鎢(最高1.50重量%)。或者或此外，可以合金化方式添加以最高0.20重量%之釩與/或最高0.10重量%的鈦與/或最高0.50重量%之鈮為基礎的微合金元素。在此應遵照在最大0.75重量%之Ti、V、Nb事件下總含量與在最大1.0重量%的Ni、Mo、Co、W、Zr事件下總含量。為了能夠發揮這些合金元素之效應，應分別遵照0.01重量%的最小含量。鉬可能導致固溶體硬化。正面效應也可能因耐回火性與氫脆性兩者而實現。稀土族與反應性元素：視需要添加稀土族與反應性元素像Ce、Hf、La、Re、Sc與/或Y可用於調整目標層距離及因此進一步增加最高1重量%的整體含量之強度與韌性。圖 1 經由舉例示意地顯示在具有層狀微結構的根據本發明之鋼產物的似衝擊之負載事件下的裂縫傳播。該例子顯示厚度8 mm之厚板1，其具有下列以重量%計的鋼組成：0.30 C、1.25 Si、1.94 Mn、0.004 P、0.001 S、0.12 Al、0.78 Cr、0.11 Mo、0.020 Nb、0.013 N。在此，厚板之能量吸收能力達到2100 kJ。厚板1具有層狀微結構，在這種情況下，具有不同機械性質之薄區以線2、2'、2''、2'''表示。線2、2'、2''、2'''代表低熔合金組分薄相，其表示層狀微結構之特性。可以在金屬板1的下側看到由砲彈之炮火造成的在金屬板1中之半球形凹入3，其具有在金屬板1中的裂縫4、4'，其係由在金屬板1中之凹入的最深點所引起且一開始傳播至最遠為下一個微結構邊界(線2、2')，且然後沿著在鋼中之這些邊界持續實質水平轉移。裂縫4、4'轉移到只要導入厚板1的鋼中之能量被完全耗盡。從而防止裂縫貫穿金屬板1的厚度。圖 2 示意地顯示沿著圖 1 的例子之金屬板厚度的硬度分布。樣本之邊界區域具有高硬度，其首先隨著到邊界的距離增加而減少，然後又升高。此硬度分布是具有層狀微結構的根據本發明之鋼的特性，其中個別微結構具有不同機械性質。具有層狀微結構的根據本發明之鋼產物的有利應用特別在下列方面是顯而易見的：在汽車工業用於碰撞相關組件或作為在炮火或爆炸事件下裝甲用安全鋼。這類鋼產物也可有利地作為高動力集合體(比如發動機或航空發動機)之外殼或用於防爆保護。在太空旅行中的應用也可以設想到防微隕石保護。

1:金屬板 2:低熔合金組分薄相 2':低熔合金組分薄相 2'':低熔合金組分薄相 2''':低熔合金組分薄相 3:半球形凹入 4:裂縫 4':裂縫

[圖 1 ]經由舉例示意地顯示在具有層狀微結構的根據本發明之鋼產物的似衝擊之負載事件下的裂縫傳播。 [圖 2 ]示意地顯示沿著圖 1 的例子之金屬板厚度的硬度分布。

Claims

一種在似衝擊之負載事件下具有高能量吸收能力之鋼產物，其在-40℃具有52 HRC的最低硬度與27 J的最小韌性，且有下列以重量%計的合金組成包含： 0.10至最高少於0.75 C 0.10至4.00 Si 0.50至4.00 Mn 0.05至2.00 Cr 最大0.025 N 最大0.15 P 最大0.05 S，剩餘鐵具有由熔煉引起之雜質，視需要添加一或多種元素Al、Mo、Ni、Co、W、Ti、Nb或V及Zr和稀土族(REM)，與經配置為層狀的微結構，具有滿足下列要求(方程式1)的鋼產物待達到之能量吸收能力： Emin=450×D-2000 (1)，且E表示以千焦耳(kJ)計的能量吸收能力，數值450是以每mm千焦耳(kJ/mm)計，數值2000是以千焦耳(kJ)計，與D表示以毫米(mm)計的鋼產物厚度。
如請求項1之鋼產物，其中下列以重量%計的含量： 0.05至2.00 Al 0.01至2.00 Mo 0.01至5.00 Ni 0.01至2.00 Co 0.01至1.50 W 最高0.10 Ti 最高0.50 Nb 最高0.20 V，具有0.75重量%之Ti、V、Nb的最大總含量與1.0重量%之Ni、Mo、Co、W、Zr的最大總含量和最大1.0重量%之REM。
如請求項1或2之鋼產物，其中下列含量以重量%計：0.20最高少於0.60 C，有利地是0.20最高少於0.40 C。
如請求項1至3中至少一項之鋼產物，其中下列含量以重量%計：Al+Si＞4×C。
如請求項1至4中至少一項之鋼產物，其中下列含量以重量%計：0.10至0.30 Si，有利地是0.25至2.5 Si。
如請求項1至5中至少一項之鋼產物，其中下列含量以重量%計：0.75至3.00 Mn，有利地是1.0至2.5 Mn。
如請求項1至6中至少一項之鋼產物，其中下列含量以重量%計：0.10至1.75 Cr，有利地是0.25至1.50 Cr。
如請求項1至7中至少一項之鋼產物，其中下列含量以重量%計：最小0.0005，有利地是最小0.0025 N。
如請求項1至8中至少一項之鋼產物，其用於製造厚度3 mm至最高250 mm的厚板或厚度0.5 mm至最高25 mm的熱片與冷片。
如請求項1至9中至少一項之鋼產物，其中該層狀微結構包含至少二個具有不同微結構的層。
如請求項10之鋼產物，其中該微結構層主要是麻田散鐵、沃斯田鐵、肥粒鐵或變韌鐵。
如請求項10至11中至少一項之鋼產物，其中該至少二個微結構層中的一者包含該鋼之低熔相。
如請求項10至12中至少一項之鋼產物，其中該至少二個微結構層中的一者係藉由軋製包覆法(roll cladding)、爆炸包覆法(explosive cladding)或銲接包覆法(weld cladding)製成。
如請求項10至12中至少一項之鋼產物，其中該至少二個微結構層係藉助透過鑄造具有彼此不同允許組成的熔體之水平鑄片法製成。
如請求項10至12中至少一項之鋼產物，其中該至少二個微結構層係藉由熱軋在該微結構的二相區中熱片、冷片或厚板製成。
如請求項10至12中至少一項之鋼產物，其中該至少二個微結構層係藉由使該熱片、冷片或厚板經受沃斯田熱處理與後續硬化製成。
如請求項10至12中至少一項之鋼產物，其中該至少二個微結構層係藉由氮化、硼化、塗佈、雷射硬化、雷射包覆、噴珠、或噴砂方式使該熱片、冷片或厚板經受表面層硬化製成。
一種如請求項1至17中至少一項之鋼產物之用途，其係在汽車工業用於碰撞相關組件、作為在炮火或爆炸事件下裝甲用安全鋼、作為高動力集合體(比如發動機或航空發動機)的外殼、作為防爆保護、或在太空旅行領域中作為防微隕石保護。