Стали для автомобилестроения

Автмобильная промышленность как ведущая отрасль машиностроения во многом определяет требования к холоднокатаному конструкционному листу. Особенно велики требования к химическому составу и структуре сталей, так как от этого зависят штампуемость и основные эксплуатационные характеристики листа. В последние годы резко возросли требования к качеству автомобиля, прочности его деталей, комфортности, экологичности и пр. Одна из важнейших задач — снижение веса автомобиля. В связи с этим разработано и разрабатывается несколько новых марок стали, совершенствуется технология их производства, проводятся мероприятия по очистке сталей, стабилизации их состава, структуры и свойств.

В качестве основных потребительских свойств автомобильных сталей выступают прочностные и пластические характеристики: пределы прочности о_|( и текучести o_s, относительное удлинение 8. Важны также определенные соотношения между этими характеристиками. В совокупности уровень этих требований определяет комплексную оценку стали, которая называется штампуемостью.

Сталь для штамповки должна обладать сравнительно низким начальным пределом текучести а_{0 2} и высоким сопротивлением разрушению о_в, т. е. высоким показателем упрочнения п (в формуле о₅ = 0^(1 + е")). Считается, что при п > 0,23 листовая сталь обладает хорошей штампуемостью. Часто эта характеристика оценивается отношением а_{0 2}/о_в (коэффициентом эластичности); штампуемость гем выше, чем меньше этот показатель.

Экспериментально показано, что лист, имеющий предел прочности а в направлении z, перпендикулярном плоскости листа, более высокий, чем о_в в плоскости ху листа, лучше поддается вытяжке, чем изотропный материал. Эта характеристика штампуемое™ оценивается показателем

Среднее значение показателя R определяется как среднеарифметическое по четырем направлениям в плоскости листа относительно направления прокатки:

Для определения этого показателя необходимо разорвать четыре образца, вырезанных под углами 0, +45, —45 и 90° к направлению прокатки. На низкоуглеродистых сталях достигнуты показатели > 1,7—2,7.

ср

Для характеристики штампуемости важен также показатель плоскостной анизотропии

где у, х— направления вдоль и поперек оси прокатки в плоскости листа.

Чем меньше этот показатель, тем равномернее деформация в плоскости листа при штамповке, меньше склонность к образованию фестонов, точнее размеры изделия. По этому показателю наивысшей штампуемостью обладают изотропные стали, у которых ДR - 0.

Высокие свойства листа по всем показателям штампуемости достигаются при строгом выдерживании технологических режимов: очистки стали при выплавке, температуры конца прокатки и смотки на НШПС, деформации и термообработки при холодной прокатке. Увеличение количества углерода в стали может приводить к повышению содержания в ее структуре цементита. Нежелательны крупные частицы цементита и распределение их в виде колоний. Размер, форма и распределение зерен цементита в ферритной основе зависят от режимов выплавки, горячей и холодной деформации, рекрисгаллизационного отжига и процессов старения стали после отжига. Это влияет не только на механические свойства металла, но и на состояние покрытия при оцинковке листа.

Наиболее широко используемым механизмом упрочнения автомобильных сталей является упрочнение образованием твердых растворов. Основными легирующими элементами при этом являются марганец, кремний, фосфор. Углерод, азот, медь также приводят к упрочнению твердого раствора, если не входят в карбиды или карбонитриды. К наиболее сильным упрочнителям твердого раствора а-Fe относят С и N, а также Р.

Другим механизмом упрочнения является упрочнение дисперсными частицами титана, и/или ниобия, и/или ванадия (дисперсионное упрочнение стали). Здесь прирост прочности зависит главным образом от размера (дисперсности) частиц. В свою очередь, размер этих частиц зависит от температурно-скоростных параметров горячей прокатки и охлаждения стали. Наличие мелкодисперсных частиц приводит также к упрочнению стали в результате измельчения зерна.

Введение небольших количеств Ti, и/или Nb, и/или V приводит к существенному ослаблению текстуры и, соответственно, к уменьшению объемной и почти полному исчезновению плоскостной анизотропии. Это позволило фирме Preussag Stahl запатентовать так называемую изотропную микролегированную сталь, отличающуюся гарантированным отсутствием плоскостной анизотропии (Д R= 0).

К основным механизмам упрочнения относят также упрочнение второй структурной составляющей. Здесь наибольший интерес представляют стали с двухфазной ферритно-мартенситной структурой (ДФМС), а также ТРИП-стали.

Микроструктура ДФМС представляет собой участки мартенсита (возможно присутствие остаточного аустенита и нижнего бейнита) в ферритной матрице. Наличие второй фазы дает отсутствие площадки текучести на кривой растяжения (без дрессировки) и высокий темп упрочнения при деформации (высокий показатель п), а также высокий прирост прочности при низкотемпературном старении (150—200 °С).

Обычно прочностные свойства ДФМС представляют в виде функции от объемной доли мартенсита. Недостатком ДФМС является высокий уровень плоскостной анизотропии AR при низком коэффициенте Л_ср.

Так называемые ТРИП-стали, разработанные в Японии в конце 1970-х гг., представляют собой наиболее перспективный материал, так как обладают феноменально высоким уровнем пластичности (удлинения) при очень высоком уровне прочности. Такая пластичность обеспечивается превращением остаточного неустойчивого аустенита в мартенсит в процессе пластической деформации.

В табл. 17.2 представлены основные соотношения между пределом прочности и относительным удлинением для различных холоднокатаных сталей. Видно, что в области прочности 400-600 МПа преимущество имеют фосфористые и двухфазные стали по сравнению с микролегированными Nb и V сталями. В области наиболее высокой прочности (600—800 МПа и выше) однозначное преимущество у ТРИП-сталей. Промышленное производство ТРИП-сталей освоено в Европе фирмой Thyssen Krupp, а в Японии фирмой Nippon Steel, получившей на листах толщиной 1 мм о_ц = 614 МПа, 5 = 36,5 %, R = 0,86, п = 0,215. Для высокой штампуемости необходим повышенный коэффициент V что, в свою очередь, обеспечивается формированием в стали определенной кристаллографической текстуры, которая в низкоуглеродистых сталях существенно зависит от форм нахождения С и N в стали. В зависимости от технологии изготовления проката они могут находиться:

• 1) в твердом растворе — и являться самыми сильными упрочняющими элементами;
• 2) в переходном состоянии — которое условно можно представить в виде схемы твердый раствор — конденсация на дефектах (облака Котрелла) — пред- выделение частиц; в этом случае влияние этих элементов на комплекс свойств является сложным, и здесь часто даже небольшое изменение технологии может привести к появлению площадки текучести и сильному старению стали;
• 3) в виде мелкодисперсных карбонитридов — которые являются сильными упрочнителями по механизмам дисперсионного упрочнения и измельчения зерна;
• 4) в виде крупных грубых карбидов и/или нитридов — которые практически не влияют на прочность, зато могут повлиять на сопротивление хрупкому разрушению, особенно в условиях циклического нагружения.

Как правило, углерод и азот находятся в рассматриваемых сталях одновременно в нескольких состояниях, при этом чем больше их абсолютное содержа-

Таблица 17.2

Типичные механические свойства различных холоднокатаных сталей

ние, тем сильнее роль всех перечисленных факторов и тем больше сложностей при создании надежной технологии, обеспечивающей гарантированный уровень потребительских свойств сталей. Поэтому начиная с 1950-х гг. наблюдается устойчивая тенденция по снижению содержания С и N в тонколистовых штампуемых сталях. Уже в 1970-х гг. некоторые металлургические компании освоили промышленное вакуумирование стали, на базе чего начали производство сталей, содержащих 0,01—0,02 % С и менее 0,008 % N (экстра- низкоуглеродистые). В 1980-х гг. на базе этих сталей при дополнительном легировании фосфором (до 0,10 %) создаются так называемые ВН-стали, или стали с гарантированным упрочнением после штамповки деталей и окончательным упрочнением в результате старения при последующей сушке лакокрасочного покрытия.

С конца 1980-х гг. начинается период массового производства особо низкоуглеродистых сталей, содержащих С и N, как правило, не выше 0,006— 0,005 %. Столь низкий уровень позволяет достаточно легко вывести эти элементы из твердого раствора путем дозированного микролегирования Ti и/или Nb. При этом получают так называемую IF-сталь, или сталь, свободную от атомов внедрения (и, соответственно, с очень низкими исходными прочностными свойствами). При упрочнении этих сталей по вышеперечисленным механизмам наблюдается существенно более высокий уровень пластических свойств, чем у обычных низкоуглеродистых сталей.

В настоящее время ряд зарубежных металлургических фирм работает над созданием технологии производства сталей со сверхнизким содержанием С и N (менее 0,001—0,002 %), а также упрочненных сталей на их основе. Это направление можно считать наиболее перспективным для создания высокопрочных холоднокатаных сталей с о_{0 2} > 250—270 Н/мм² с сохранением особо высокого уровня штампуемое™ (8 > 35—38 %; R > 1,8—2,0).

Упрочненные lF-стали позволяют сохранять очень высокий уровень коэффициента R (R > 1,6—1,7) при о_ц > 400 МПа. Стали ДФМС и ТРИП-стали характеризуются очень низким уровнем коэффициента R (около 1,0), хотя для высокопрочных сталей есть пути его повышения.

Интенсивные исследования и промышленное внедрение тонколистовых холодно- и горячекатаных сталей повышенной прочности и пластичности (СПП) начались в США в первой половине 1970-х гг. в связи с необходимостью снижения веса автомобилей. В Японии аналогичные исследования начались практически одновременно с США. С конца 1970-х гг. эта страна начинает занимать лидирующее положение в области создания новых марок СПП и их серийного производства. Здесь также начали с попытки применения холоднокатаной стали с высоким уровнем прочностных свойств: о_в > 500 МПа, о₀₂ = = 340—400 МПа; однако штампуемость этих сталей оказалась неудовлетворительной в отличие от стали с о_в > 400 МПа ио₀₂= 270—300 МПа.

С начала 1980-х гг. за рубежом, и в особенности в Японии, основное внимание начинают уделять сталям гак называемого промежуточного уровня прочности, имеющих а_в = 330—400 МПа, а_{0 2} = 220—280 МПа. Как правило, это низкоуглеродистые (или особо низкоуглеродистые) стали, упрочненные фосфором.

Фирма Nissan довела применение подобных сталей в моделях легковых автомобилей 1982—1984 гг. до 35 % от массы черного кузова, при этом в фирме были сформулированы следующие требования к уровню механических свойств: о_в > 372 МПа, о₀₂ < 265 МПа. 8 > 33 %, Я > 1,4. Были разработаны стандарты для листовых низкоуглеродистых марок стали, а также для высокопрочной листовой стали, включая холоднокатаную прочностью до 1180 МПа (табл. 17.3). Стандартизована также горячеоцинкованная продукция на базе некоторых из этих сталей. Для изготовления панелей автомобильного кузова стали широко использовать высокопрочную листовую сталь класса 340 МПа, упрочняемую горячей сушкой покрашенной поверхности листа (ВН-сталь). ВН-эффекг достигается за счет выделения дисперсионно-твердеющих частиц (карбидов) при температурах сушки около 170—300 °С. Регулируя режимы горячей прокатки, при производстве дисперсионно-упрочняемых сталей разработали высокопрочную сталь класса 590 МПа с улучшенными технологическими свойствами при штамповке.

Таблица 17.3

Марки стали, разработанные Федерацией 4M Японии

Лист из двухфазной стали, также в холоднокатаном состоянии, обладает высокой пластичностью, показывает хорошую способность к формоизменению при обтяжке и к упрочнению при горячей сушке.

Холоднокатаную листовую сталь класса прочности выше 980 МПа применяют для изготовления усилителей бампера, дверей, для других армирующих элементов кузова. Повысить пластичность сверхвысокопрочной листовой стали можно лишь в ограниченной степени, поэтому ограничен выбор деталей, которые можно изготовить из такой стали. Для расширения области применения необходимо не только улучшить пластичность металла, но и разработать новые технологии обработки его давлением. Это не только расширит номенклатуру изделий, но и снизит затраты на материал и стоимость обработки.

В России в конце 80-х гг. были также сформулированы основные требования к холоднокатаным сталям четырех классов прочности — 24, 28, 32 и 36 (соответственно с пределом текучести 240, 280, 320 и 360 Н/мм²), а также к тонколистовому горячекатаному прокату повышенной прочности. Разработанные в России СПП относятся к поколению сталей 1980-х гг. и уступают по комплексу потребительских свойств современным зарубежным сталям.

До недавнего времени производство СПП было сосредоточено в основном на ОАО “НЛМК”. По прочностным характеристикам холоднокатаный стальной продукт, производимый на НЛМК, можно условно разделить на три группы:

• 1. Малопрочные стали с пределом текучести до 205 Н/мм² (класс 20).
• 2. Стали повышенной прочности с о₀₂ не менее 235 Н/мм² (класс 24).
• 3. Стали повышенной прочности с о₀₂ не менее 275 Н/мм² (класс 28).

К первой группе до недавнего времени относилась только сталь 08Ю — низкоуглеродистая сталь, успокоенная алюминием. Технология производства этой стали на НЛМК обеспечивает выход продукции категории вытяжки ВОСВ и ОСВ на уровне 98 %. Продолжаются работы по совершенствованию технологии производства этой стали, направленные на улучшение текстуры стали, способствующей повышению ее штампуемое™ и выхода проката категории вытяжки ВОСВ-Т. Производимые на ОАО “НЛМК” фосфористые низкоуглеродистые стали имеют предел текучести не менее 235 Н/мм², что достигается за счет твердорастворного упрочнения фосфором. Так как легирование фосфором минимально снижает шгампуемость, эти стали обладают хорошим сочетанием повышенной прочности и штампуемое™. В настоящее время на ОАО “НЛМК” отрабатывается технология производства стали с гарантированным уровнем ВН-эффекта. Ведугся работы по совершенствованию технологии выплавки, вакуумирования и разливки, обеспечивающие получение заданного химического состава в узких пределах. Необходимо также оптимизировать режимы горячей и холодной прокатки и отжига для получения качественной 1Р- стали. Достигнутый уровень характеристик этих сталей существенно отличается от сталей, производимых на базе 08Ю. Среди сталей первых двух групп особый интерес для автомобильной промышленности представляют Ш-стали высокопрочные и с ВН-эффектом как имеющие лучшее сочетание прочности и пластичности. Минимальный уровень предела текучести этих сталей составляет 190—240 Н/мм². Третья группа сталей (класс 28) представлена сталями 08РСЮТ, 07РБЮ, комплексно упрочненными карбонитридами титана и ниобия и элементами, входящими в твердый раствор феррита (Мп, 81).

Химический состав стали класса 1Г, сотые доли процента

На ОАО “Северсталь” также осваивается производство 1Е-стали, химсостав которой приведен в табл. 17.4.

Выявлено, что существенным фактором, влияющим на уровень механических свойств, является содержание титана и ниобия в зависимости от стехиометрического соотношения указанных элементов, углерода, серы и азота. Если содержание Л и N6, которые являются сильными карбидообразующими, меньше стехиометрических, то их недостаточно для связывания углерода, азота и серы. Следовательно, структура металла нестабилизированна, и при таком соотношении наблюдается повышенный предел текучести (более 18 кгс/мм²) и пониженное относительное удлинение (менее 42 %).

Технология производства стали типа Ш постоянно совершенствуется и на данный момент позволяет производить холоднокатаный прокат, обладающий следующими свойствами: о₀₂ = 140—170 МПа; о_в = 290—320 МПа; 5 = 42— 48 %; о_{0 2}/о_ц = 0,48-0,52; Я = 2,0-2,5; п = 0,21-0,24.

Полученный уровень механических свойств соответствует требованиям по ГОСТ 9045 для листа категории ВОСВ-Т, но относительное удлинение соответствует нижнему предельному значению, и на данный момент активно ведутся работы, направленные на увеличение пластичности.