CC BY
13
ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.785.68
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-357-361 КЛАСТЕРНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ В ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЯХ
А.Г. Левыкина, Т.В. Редичкина, И.П. Мазур
Представлено моделирование технологии производства горячекатаной полосы с кластерным набором свойств по ширине с использованием программного комплекса «Deform 3D». Для реализации кластерного формирования свойств металла использовали сверхбыстрое и ступенчатое режимы охлаждения на разных зонах полосы в одном технологическом цикле. Представленные результаты исследования свидетельствуют о возможности получения требуемых прочностных характеристик высокопрочной автомобильной стали.
Ключевые слова: горячая прокатка, моделирование, Deform 3D, структура, охлаждение металла, мартенситная сталь, двухфазная сталь, автомобилестроение.
Снижение себестоимости, веса и расхода топливных ресурсов с одновременным повышением надежности, долговечности и безопасности современного автомобиля требует от автопроизводителей поиска альтернативных решений при выборе материалов, отвечающих современным экологическим требованиям и политике безопасности. Одним из эффективных методов решения данной задачи является рациональный выбор материала и использование оптимальных методов упрочнения деталей [1].
Особую популярность набирают многофазные марки сталей, сочетающие в себе достаточную пластичность, высокую прочность, легкость, что в свою очередь позволяет эффективно применять для изготовления отдельных деталей методом холодной штамповки [2]. Однако стоит учесть, что для кузова современного автомобиля необходимо изготовить более сотни отдельных частей, а затем соединить их в единую конструкцию, используя при этом несколько марок металлических материалов [3]. В свою очередь использование комбинированного метода сборки подразумевает множественные сварные соединения, которые зачастую могут находиться в наиболее уязвимых к разрушению местах. В дальнейшем это может сказаться на прочности всей конструкции и, как следствие, на безопасности пассажиров [4-5].
Перспектива развития автомобильной промышленности в РФ требует освоения производства автолистовых сталей на металлургических предприятиях с высоким производственным потенциалом, который предусматривает разработку и освоение технологии производства горячекатаных длинномерных изделий [6-7] с кластером высоких и трудно сочетаемых показателей прочности и пластичности для последующей штамповки, исключая при этом в дальнейшем использование сварных соединений нескольких металлических материалов.
Целью данной работы является исследование технологии производства тонколистового проката с кластерным распределением свойств в металле по ширине для его последующего раскроя под холодную штамповку.
Разработка технологии кластерного формирования структуры металла рассматривалась на примере мартенситной «MS» и двухфазной «DP» марках сталей [2, 5, 8]. MS сочетает в себе сверхвысокую прочность с хорошей пластичностью, что делает ее высокоэффективной как для снижения веса автомобиля, так и для повышения защиты в конкретных зонах при столкновении. В свою очередь DP сталь обладает превосходным балансом пластичности и прочности за счет
ферритной матрицы с мартенситным включением в качестве второй фазы. Данные материалы отлично подходят для холодной штамповки и являются предпочтительными для несущей конструкции кузова автомобиля, в частности в компонентах «капсулы безопасности» [1-3, 8].
Технология производства готовой продукции с кластерным набором свойств по ширине заключается в использовании контролируемого сверхбыстрого охлаждения «UFC» и ламинарного охлаждения <^С» металла одинакового по химическому составу, но разного по набору механических свойств (рис.1).
ямпадам
f ППП-
4
I |
Время, с--►
Рис. 1. Схема расположения оборудования и технология производства тонких полос
на стане горячей прокатки [10]
Сегментное охлаждение позволяет совместить две и более технологии душирования в одном технологическом цикле, используя регулируемые клапана [9], обеспечивая тем самым требуемый расход воды на каждый сегмент полосы и создавая необходимую интенсивность охлаждения на каждую зону металла по ширине. Для получения мартенситной структуры необходимо использовать сверхбыстрое охлаждения металла, позволяющий за короткий промежуток времени обеспечить переход из аустенитной области в зону начала мартенситного превращения. В свою очередь, производство двухфазной стали требует больше времени, поэтому целесообразно использовать технологию ступенчатого охлаждения, при котором за счет 1-й ступени охлаждения и выдержки на воздухе обеспечивается переход и формирование ферритной структуры, далее на 2-й ступени охлаждения завершается образование мартенситной составляющей структуры металла. В результате получается сталь с ферритной матрицей и мартенситными включениями, что соответствует получению DP стали, при этом время выдержки определяет объемную долю феррита в структуре [11].
Моделирование технологии производства полосы с кластерным набором свойств по ширине осуществлялось с использованием программного комплекса «Deform 3D». При создании компьютерной модели теплового состояния металла на отводящем рольганге приняли следующие допущения:
- материал полосы однороден и изотропен;
- в начальный момент времени температура металла постоянна;
- распределение температурного поля по длине, а также формирование краевых эффектов не учитывалось;
- перетекание воды между зонами охлаждения отсутствует;
- температурные параметры переходной зоны металла не рассматривались.
Пространственно-временное распределение температуры металла описывали трехмерным уравнением нестационарной теплопроводности, используя граничные условия II и III рода [12-13], которые характеризуются интенсивностью охлаждения по зонам душирования. Для расчета плотности теплового потока использовались результаты работ [1, 11-12].
Исследование теплового состояния металла проводили на примере DP-стали, химический состав которой представлен в табл.1. Теплофизические свойства заданы согласно данным источников [1, 14].
Химический с состав РР-стали, % [15]
с Si Мп Си V тс А1 Мо №
0,093 0,209 1,87 0,031 0,006 0,002 0,027 0,006 0,001
Расчет температурных параметров производили по разработанному режиму, представленного в виде последовательно идущих операций [16]. Каждая операция описывалась граничным условием в зависимости от способа охлаждения полосы, время рассчитывалось исходя из длины рассматриваемого участка и скорости полосы на выходе из последней клети прокатного стана. Моделирование осуществлялось от пирометра за последней клетью прокатного стана Ткп и до пирометра перед смоткой полосы в рулон Тсм. Температура металла на пирометре Ткп составляет 900 0С, скорость конца прокатки - 8 м/с. Толщина готовой полосы принята равной 1,4 мм, ширина 1600 мм.
При включении заданного числа полусекций охлаждения теплообмен с горячекатаной полосой осуществлялся путем отвода тепла к струям воды, поступающим из верхних и нижних коллекторов, и к слою воды, стекающему с верхней поверхности полосы. Для получения сегмента полосы MS стали использовали секции 1 и 2 установки сверхбыстрого охлаждения UFC, произведя душирование в зону начала мартенситного превращения (< 441 оС) с интенсивностью охлаждения q=1,22х106 Вт/м2. В случае получения сегмента DP стали использовали секции 2 и 3 установки UFC с пониженным расходом воды ^=0,3х106 Вт/м2), после следовала выдержка около 7 секунд для перехода в ферритную область, затем душирование продолжалось с использованием последних секций установки ламинарного охлаждения LC (интенсивность охлаждения q=0,2х106 Вт/м2). Результаты моделирования представлены на рис. 2-3.
«О ян 100
Д.111Х11 I '"114 14 РА.1Ы11Н1Я, >1
Рис. 2. График изменения температур металла для мартенситной и двухфазной сталей
\ рр
1 ^ 700 1 \ / Ф^ЯЙ"
1 М» / № я» \ 1 1 /Игрдргг
М.-441*С 400
100 и Аусзгшт Я Мвргекпгг □ Феррит зоо •
мз
пр
а) 6)
Рис. 3. Фазовые превращения при охлаждении металла на отводящем рольганге (а) и кластерное расположение свойств в готовом изделии (б)
Таким образом реализация кластерного охлаждения обеспечит получение требуемых прочностных характеристик высокопрочной стали. Данный метод является экономически и энергетически выгодным в сравнении с методом закалки металла при листовой штамповке «Press Hardening Steel» в виду сокращения технологического цикла.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90232.
Список литературы
1. Татару А.С. Исследование и разработка технологии производства горячекатаного высокопрочного автолистового проката из двухфазных ферритомартенситных сталей с заданными показателями механических свойств: дис. канд. техн. наук. Москва, 2018. 278 с.
2. Olsson K., Sperle J. New advanced ultra-high strength steels for the automotive industry // AutoTechnology. 2006. 6 (5). P. 46-49.
3. Davies G. Materials for Automobile Bodies / G. Davies. - Oxford: Linacre House, Jordan Hill, 2003. 368 p.
4. Гаврилов В.Г., Помазков М.В., Караваева Н.Е. Анализ возможности применения различных материалов для изготовления деталей кузовов в практике автомобилестроения. // Вестник Приазовского государственного технического университета. «Технические науки», 2015. С. 42-50.
5. Prochenka P., Janiszewski J., Kucewicz M. Crash Response of Laser-Welded Energy Absorbers Made of Docol 1000DP and Docol 1200M Steels // Materials. 2021. 14 (11). P.18
6. P. Suwanpinij, U. Prahl, W. Bleck, R. Kawalla. Fast algorithms for phase transformations in dual phase steels on a hot strip mill run-out table (ROT). // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2012. 12. P. 305-311.
7. D. Homberg, K. Krumbiegel, N. Togobytska. Optimal control of multiphase steel production // Journal of Mathematics in Industry. 2019. 9(6). P. 32
8. Bhattacharya D. Microalloyed steels for the automotive industry // Tecnologia em Metalurgia Materiais e Minera?ao. 2014. 11. P. 371-383.
9. Herman J. C., Lacroix J., Riche P. Ultra-fast cooling in the hot-strip mill (Phase I). Final report // Rolling and product treatment. 2002. P. 71
10. Chengning L., Yuan G., Fengqin J. Mechanism of Microstructural Control and Mechanical Properties in Hot Rolled Plain C-Mn Steel during Controlled Cooling // ISIJ International. 2015. 55. P. 1721-1729.
11. Левыкина А.Г., Соловьев В.Н., Мазур И.П. Оценка возможности получения горячекатаной полосы из двухфазной стали на существующем отводящем рольганге широкополосного стана горячей прокатки // Черные металлы. 2020. №8. С. 10-14.
12. Мазур И.П. Развитие теории и совершенствование технологии производства листового проката на литейно-прокатных комплексах: дисс. д-ра техн. наук. Липецк, 2003. 400 с.
13. Лыков А.В. Теория теплопроводности: учебное пособие для студентов теплотехнических специальностей высших учебных заведений / А. В. Лыков. - Москва: Высшая школа, 1967. 599 с
14. Gao H., Gautam A., Amirthalingam M., Hermans M. Hot cracking investigation during laser welding of high strength steels with multi-scale modelling approach. // Science and Technology of Welding and Joining. 2017. 23.
15. Krajewski S., Nowacki, J. Dual-phase steels microstructure and properties consideration based on artificial intelligence techniques. // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2013. 14. P. 278-286.
16. Levykina A. G., Chabonenko A. A., Shkatov V. V., Mazur I. P. The study of the thermal state of the metal in the production of the hot rolled strips in «Deform 3D» // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2018. 1134.
Левыкина Анна Геннадьевна, аспирант, levykina_ag@,stu. lipetsk. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Редичкина Татьяна Викторовна, старший преподаватель, moakan13@mail.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
360
Мазур Игорь Петрович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, mazur@stu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет
CLUSTER STRUCTURE FORMATION IN LONG PRODUCTS A.G. Levykina, T.V. Redichkina, I.P. Mazur
Modeling of the production technology of a hot-rolled strip with a cluster set of width properties using «Deform 3D» is presented. The cluster _ formation of metal properties was obtained by using models of ultra-fast and step cooling in different zones of the strip in one technological cycle. The results of the study indicate the possibility of obtaining the required strength characteristics of high-strength automotive steel.
Key words: hot rolling, modeling, Deform 3D, structure, metal cooling, martensitic steel, dualphase steel, automotive.
Levykina Anna Gennadyevna, postgraduate, levykina_ag@,stu.lipetsk.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Redichkina Tatyana Viktorovna, senior lecturer, moakan13@mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Mazur Igor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, mazur@,stu.lipetsk.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.73.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-361-364
К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ И КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА
К.А. Березина
Трение является важной составляющей и не малозначащим фактором в процессах обработки металлов давлением, который необходимо изучать и учитывать при построении технологического процесса и штамповки любых изделий как из черных, так и из цветных металлов и их сплавов. Величина трения оказывает значительное влияние на практически все процессы обработки металлов давлением, в том числе и на выдавливание, которое будет рассмотрено в данной работе. Таким образом, в статье рассматривается вопрос о том, как влияет величина трения Кулона на разные характеристики холодного открытого обратного выдавливания. Рассматривается технологическая сила формоизменения, температуры до которой разогревается заготовка, матрица и пуансон, интенсивность напряжений, повреждаемость металла при штамповке, а также значения деформаций, которые возникают в результате формирования детали. Делаются выводы о влиянии трения на приведенные выше характеристики объёмного деформирования металла и даются рекомендательные предложения о выборе смазочного материала при реализации объемного формоизменения в режиме холодной штамповки.
Ключевые слова: штамповка, выдавливание, объемное деформирование, деформации, температура, повреждаемость, комплексная.
Существует большое разнообразие операций обработки давлением [1-5], которые имеют некоторые отличии, в том числе варьируются характером приложения нагрузки, формообразующим инструментом и др. Одним из таких процессов является обратное выдавливание, для которого характерно сложное течения материала. При этом во время формоизменения происходит контакт материала заготовки с инструментом по относительно большой площади, поэтому фактор трения является важной частью и имеет большое влияние на весь процесс. Поэтому
