Современные стали для автомобилестроения
Что требует автолист
Игорь Лейрих, Алексей Смирнов, Донецкий национальный технический университет, Константин Писмарев, начальник ЦЛК Алчевского МК
Современные стали для автомобилестроения
Тонкий стальной лист из низкоуглеродистой стали является важнейшим конструкционным материалом в автомобильной промышленности и других отраслях машиностроения. Детали из такого листа изготавливают путем значительной холодной пластической деформации (штамповкой, глубокой вытяжкой), и они могут составлять до половины массы современного автомобиля.
В последние годы в связи с общим развитием автомобилестроения повышаются и требования к качеству и технологическим свойствам автолиста. Такая динамика предопределила развитие сталей для автолиста в части химического состава и технологий их выплавки и обработки.
ОСОБАЯ СТАЛЬ
В качестве материала для тонкого листа, потребляемого автомобильной промышленностью (а также в производстве холодильников, газовых плит, посуды и т.д.), традиционно использовали стали с содержанием углерода 0,05-0,08% (мас.). Они имеют относительно высокую пластичность и могут с минимальными энергозатратами подвергаться значительной деформации без опасности разрушения.
При всем том основной недостаток обычных низкоуглеродистых сталей – наличие эффекта текучести и склонность к деформационному старению. Это проявляется в образовании протяженных поверхностных дефектов при холодной деформации. Поскольку заметный вклад в деформационное старение стали вносит азот, для создания нестареющих низкоуглеродистых сталей используют легирование алюминием, который связывает азот в нитриды. Однако это не гарантирует полного устранения эффекта старения, т.к. добавки алюминия ухудшают разливаемость стали, снижают пластичность и способность к глубокой вытяжке.
Другое принципиальное технологическое решение проблемы деформационного старения стали: создание сталей без или с весьма низким содержанием атомов внедрения – in-terstitial free (IF). Впервые такое решение проблемы было предложено более 25 лет назад японскими специалистами, и в настоящее время Япония является одним из основных производителей этих сталей.
Как правило, технология производства IF-сталей предполагает выплавку в конвертере и предусматривает обязательную отсечку шлака при сливе металла в ковш. При этом заливаемый в конвертер чугун подвергают глубокой десульфурации (содержание серы менее 0,0030%). Перед выпуском плавки содержание углерода в стали составляет примерно 300 ppm, а кислорода – примерно 600 ppm. В зависимости от технологического маршрута температура стали на выпуске достигает 1650-1690°С.
Внепечная обработка стали в ковше обязательно сопровождается операцией выравнивания температуры и химического состава металла, а также операцией дегазации в агрегате RH-OB или VD/VOD. Содержание углерода в стали в конце вакуумирования составляет 0,20-0,25 ppm. Разливка на МНЛЗ осуществляется в режиме максимальной защиты стали от вторичного окисления на всех участках движения металла от сталеразливочного ковша до кристаллизатора.
Дополнительным фактором, способствующим повышению качества IF-сталей, является выбор рациональных огнеупоров для футеровки сталеразливочного и промежуточного ковшей, препятствующих загрязнению металла углеродом и кремнием.
Конечно, металлургические предприятия традиционно выпускают ряд сталей с пониженным и нормируемым содержанием углерода. В общем случае, такие стали обозначают следующим образом (указаны проценты по массе):
• LC – низкоуглеродистые 0,03-0,25 C, %;
• ELC – экстранизкоуглеродистые 0,005-0,02 C, %;
• ULC – ультранизкоуглеродистые 0,002-0,005 C, %;
• SULC – суперультранизкоуглеродистые С <0,002%.
Однако IF-стали выносят в отдельную группу, т.к. они имеют еще и специфическую систему легирования. Ее выбирают для обеспечения основной цели – отсутствия эффекта старения при сохранении высокой штампуемости и достаточной прочности.
ПОДХОДЫ К ЛЕГИРОВАНИЮ
Система легирования большинства IF-сталей практически одинакова. Содержание элементов внедрения (углерод + азот) составляет обычно не более 0,003-0,005% (мас.). Содержание углерода более 0,005% следует считать уже относительно высоким для IF-стали. Современные IF-стали производства Японии и Южной Кореи преимущественно содержат 0,0011-0,002% С и 0,0025% N.
Как показывает анализ, при производстве IF-сталей чаще используют легирование титаном. Предполагается, что содержание титана должно быть не меньше 4*(С+N). В противном случае опять может появиться площадка текучести, и сталь станет склонной к деформационному старению. В серийно выпускаемых IF-сталях это соотношение (Ti/(C+N)) составляет о кол о 8-10 при содержании титана по массе 0,06-0,07%.
Ниобий – более слабый карбидо- и нитридообразующий элемент по сравнению с титаном. Но карбиды и нитриды ниобия по размерам меньше, чем у титана, а эффекты упрочнения и измельчения зерна обратно пропорциональны размерам выделяющихся частиц. Легировать сталь ниобием рекомендуют при относительно высоком содержании углерода (~0,006%), что позволяет повысить сопротивление охрупчиванию стали.
Имеются также данные по совместному легированию этими элементами. В целом при комплексном легировании свойства листовых сталей, в том числе штампуемость, получаются выше. При совместном легировании содержание титана составляет 0,02-0,04%, а ниобия – 0,03-0,05%.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТЫ
Учитывая различный уровень свойств, производители обычно указывают тип элемента в обозначении стали (Ti-IF, Nb-IF или Ti-Nb-IF). Необходимо отметить, что при этом не указывают марки IF-сталей, а приводят только их состав. Единой международной системы обозначений для IF-сталей в настоящее время нет.
В рамках программы ULSAB принята система классификации, которая связывает тип стали, минимальный предел текучести (Н/мм2) и временное сопротивление (Н/мм2)…
…В Японии принята несколько отличающаяся система маркировки IF-сталей. Стандартом JFS A3011:1998 для листовых сталей, которые проходят глубокую вытяжку и гальваническое нанесение покрытия, в качестве основного показателя выбрано временное сопротивление. Эти стали маркируют следующим образом: JACXXX*, где ХХХ -ов в Н/мм2, * – буква, показывающая уровень остальных свойств.
Необходимо учитывать, что для листовых сталей указанные механические свойства не полностью характеризуют способность к глубокой вытяжке. В качестве характеристики способности листового материала к значительной пластической деформации обычно используют коэффициент (показатель) плоскостной анизотропии r. Его определяют как отношение истинных значений деформаций по толщине и ширине листа. Чем больше значение r, тем качественнее штамповка. Поэтому, разрабатывая состав и технологию получения стали для глубокой вытяжки, стремятся добиться максимальных показателей плоскостной анизотропии.
Для обычной углеродистой листовой стали значение r составляет менее 1,2. Для IF-сталей оно изменяется в широких пределах в зависимости от конкретных условий производства; применительно к этим сталям обычно r составляет не менее 1,4 и может достигать 3,0 и более.
Сегодня производство сталей типа interstitial free (IF) освоено в странах, имеющих развитую металлургическую и автомобильную промышленности. В России IF-стали выпускают “Северсталь” и Магнитогорский МК. В Украине до настоящего времени стали класса IF не производились. Последнее объясняется, прежде всего, отсутствием сталеплавильного цеха, который мог бы обеспечить соответствующую систему технологий выплавки, внепечной обработки и разливки стали. Наиболее вероятно, что в ближайшее время все необходимые технологические условия для производства сталей класса IF в Украине будут созданы на Алчевском меткомбинате в ходе масштабной реконструкции этого предприятия.
|
Химический состав типичных IF-сталей, серийно выплавляемых на зарубежных метпредприятиях
|
|||||||||
|
Изготовитель
|
С
|
Mn
|
Р
|
S
|
Al
|
N2
|
|||
|
Kawasaki Steel
|
< 0,002
|
0,18
|
0,006
|
0,007
|
0,028
|
0,002
|
|||
|
National Steel
|
< 0,0025
|
0,20
|
0,006
|
0,007
|
0,028
|
0,002
|
|||
|
Sollac
|
< 0,003
|
0,20
|
0,003
|
0,009
|
0,017
|
0,003
|
|||
|
Северсталь
|
< 0,003
|
0,12
|
0,009
|
0,008
|
0,032
|
0,0054
|
|||
|
MMK
|
< 0,003
|
0,15
|
0,009
|
0,008
|
0,018
|
0,007
|
|||
|
Примеры маркировки IF-сталей по стандарту JFS A3011:1998 (для толщины листа 0,8-1,0 мм)
|
|||||||||
|
B, Н/мм2
|
Марка
|
T, Н/мм2
|
5,%
|
||||||
|
260
|
JAC260G
|
100-175
|
46-54
|
||||||
|
270
|
JAC270C
|
175-295
|
36-45
|
||||||
|
|
JAC270D
|
125-215
|
41-50
|
||||||
|
|
JAC270E
|
120-195
|
43-51
|
||||||
|
|
JAC270F
|
110-175
|
45-53
|
||||||
ПОПУЛЯРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ
Эволюция технологических представлений в части обеспечения высоких пластических кондиций для автолиста позволили ведущим мировым производителям создать ряд новых марок сталей со специфическим комплексом свойств. Так, для решения основной задачи – снижения массы автомобиля – консорциум фирм под общей координацией Комитета IISI по применению сталей в автомобильной промышленности (AUTOCO) разработал комплекс программ. Основными из них являются Программа создания сверхлегких, высокопрочных стальных корпусов (ULSAB Ultra Light Steel Auto Body) и Программа разработки общей концепции (ULSAB AVC Advanced Vehicle Concepts).
Эти документы содержат и терминологию в части классификации современных сталей для автомобилестроения, а именно:
• IS (isotropic steels) – изотропные стали. Обладают одинаковыми механическими свойствами, независимо от направления прилагаемой нагрузки, что достигается легированием стали кремнием, марганцем, а также особыми режимами прокатки;
• BH (bake-hardenable steels) – стали, упрочняемые сушкой покрытия. Приобретают высокую прочность в процессе сушки окончательного лакокрасочного покрытия (~150°С);
• TRIP (transformation induced plasticity steels) – стали, в которых мартенситное превращение идет во время пластической деформации с большими степенями, создавая значительный эффект упрочнения (например, при аварийном столкновении);
• DP (dual phase steels) – двухфазные стали. Имеют феррито-мартенситную или феррито-бейнитную структуру с высокой прочностью и штампуемостью;
• СР – стали со сложным фазовым составом;
• MILD – мягкие низкоуглеродистые стали;
• HSS Conventional (high strength steels) -обычные высокопрочные стали;
• HSLA (high strength low alloy steels) – высокопрочные низколегированные стали;
• AHSS (advanced) – усовершенствованные высокопрочные стали.
В соответствии с терминологией, принятой в программе ULSAB, к мягким относят стали с пределом текучести 140-210 Н/мм2, высокопрочными считают стали, имеющие предел текучести 210-550 Н/мм2, сверхвысокопрочными – стали с пределом текучести более 550 Н/мм2.
В целом при изготовлении элементов кузова современного легкового автомобиля используется 220-250 кг сталей различных марок.