Освоение производства высокопрочного проката для автомобилестроения в ОАО «ММК» Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.771

Б. А. Никифоров, В. М. Салганик, С. В. Денисов, П. А. Стеканов

ОСВОЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО ПРОКАТА ДЛЯ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ В ОАО «ММК»

В последнее время развитие листовых материалов для автомобилестроения определяют такие основные тевденции, как: обеспечение коррозионной стойкости и снижение массы кузова с повышением безопасности автомобиля.

Мониторинговые исследования рынка показали, что в последние годы борьба между производителями альтернативных материалов за передел автомобильного рынка значительно обострилась. Легкие металлы - алюминий и магний - находят все более широкое применение в автомобилестроении, композитные материалы тоже основательно потеснили сталь на ее традиционном рынке (рис. 1). В этой ситуации ряд западных сталелитейных компаний разработали совместные научно-технические программы, осуществление которых привело к появлению качественно новых ма-териалов - высокопрочных сталей нового поколе -ния, что, как ожидается, должно значительно упрочить позиции сталелитейной промышленности в автомобильном секторе [1].

На протяжении нескольких десятилетий тевденции в проектировании автомобилей формировались под воздействием двух противоположно направленных факторов: необходимость соблюдения установленных регулятивными органами норм средней по отрасли топливной экономичности (CAFE) требовала снижения веса автомобилей, а ставдарты безопасности исключали возможность уменьшения толщины стальных конструкций.

В середине 1970-х годов стремление к снижению веса автомобилей породило тевденцию к уменьшению их размеров. Однако, если евро-

Композитный

кузов

Алюминиевый

кузов

Стальной

кузов

Vr ■ t

■

□ Материалы

□ Трудоёмкость

□ Оборудование

□ Инструмент

□ Другое

0 5 00 1 000 1 500 2000

Стоимость кузова, $

Рис. 1. Себестоимость кузоваавтомобиля, изготовленного из различных материалов

пейские и японские потребители охотно приняли эти новшества, то в США дело обстояло иначе. В середине 80-х годов прошлого века было уже ясно, что американцы по-прежнему отдают предпочтение большим машинам. С другой стороны, потребителей все чаще интересовали вопросы безопасности [1].

При снижении массы автомобиля необходимо учитывать не только требования по расходу топлива (снижение эмиссии СО2), но и требова-ния безопасности, защиты окружающей среды (токсичные выбросы, уровень внешнего шума), долговечности (защита от коррозии, интервалы техобслуживания), комфорта и другие.

Применение новых разработок относительно марок стали дает возможность сбалансировать противоречия между необходимостью снижения веса автомобиля и повышения его безопасности

В настоящее время разрабатываются или применяются для изготовления панелей кузова несколько типов высокопрочных сталей.

Первый тип - «повышенной штампуемо-сти» IF-сталь с очень низким содержанием углерода и азота и с примесью марганца, фосфора, кремния и бора.

Второй тип - «термоупрочненная» BH-сталь. Свойства этих двух типов сталей частично совпадают, так как IF-сталь и обычная мягкая сталь также могут быть термоупрочненными. IF-стали и BH-стали различаются между собой только по составу и технологии изготовления.

Третий тип - «трансформируемые повышенной пластичности» TRIP-стали, в состав которых входят углерод, кремний и марганец. TRIP-стали находятся на стадии разработки Они имеют хорошую штампуемость. Основной недостаток изделий из этих сталей - низкое качество поверхности Широкое применение TRIP-стали ожвда-ется через 10-15 лет [1].

В начале 90-х годов прошлого века перспектива распространения на автомобильном рынке новых композиционных материалов заставила ве-дущих производителей стали объединить усилия по разработке новых материалов. Интеграция крупнейших мировых производителей сталей для автомобилестроения - JFESteel Corporation (Япо-

ния), Thyssen Krupp Stahl AG (ФРГ), SSAB (Швеция), United States Steel Corporation (США) и др. - осуществляется в рамках различных инициативных программ, координируемых Комиге-том по применению сталей в автомобильной промышленности (AUTOCO) Международного института чугуна и стали (International Iron and Steel Institute, IISI). Целью данных программ является создание сверхлегких, экономичных, безопасных для человека и окружающей среды автомобилей Машины, разработанные на основе новых конструкторских решений и новых высоко прочных сталей, должны стать максимально комфортными, легкими в управлении, но без повышения базовой стоимости. Комитет координирует усилия более чем 30 ведущих мировых производителей металлопроката по систематизации перспективных сталей, разработке новых и внедрению уже существующих марок сталей в автомобильную промышленность. Кроме того, разрабатываются нормативные документы по применению высокопрочных сталей и новых технологических процессов их обработки применительно к автомобилестроению [2].

Сталь - материал, выигрышный во многих отношениях. У нее наилучшее соотношение прочности и веса, особенно у высокопрочных категорий Тем не менее, проблема снижения веса становится все более актуальной, так как, выигрывая в прочности, сталь здесь пока проигрывает. Именно на снижение веса стальных конструкций при сохранении прочностных характе-ристик и направлена основная активность консорциумов. В частности, решению этой пробле-мы посвящена программа Auto/Steel Partnership, учрежденная в 1987 году североамериканскими производителями стали и «большой тройкой» автомобильных компаний. Позднее, после 1993

года, количество таких консорциумов для разра-ботки «сверхлегких» стальных конструкций начало нарастать лавинообразно; «спусковым

крючком» послужил старт программы UltraLight Steel Auto Body (ULSAB), в которой приняли участие 35 производителей стали из I8 стран [I].

Основной задачей ULSAB было определение путей значительного снижения веса автомобильного кузова при надежном обеспечении безопасности и комфортабельности при приемлемой цене. Целью программы UltraLight Steel Auto Closure (ULSAC) была демонстрация це -лесообразности применения стали для изготов-ления конструкционно прочных запорных элементов (капоты, дверцы, крышки багажника, люки и задние дверцы), тогда как UltraLight Steel Auto Suspension (ULSAS) была направле-на на разработку легких и конструкционно прочных стальных подвесок [I].

Основные направления координационных программ, проводимых под эгвдой AUTOCO IISI, схематично представлены на рис. 2.

Для устранения возможной путаницы в опре -делениях и стандартах различных стран в рамках USLAB были введены собственные категории прочности, определяемые величиной предела текучести для проката толщиной 0,65-2,0 мм [I].

На рис. 2: (P) - (Phosphor alloyed steels) стали, легированные фосфором;

(IS) - (isotropic steels) изотропные стали;

(BH) - (Bake harden able steels) стали, упрочняемые сушкой лакокрасочного покрытия;

(IF) - (Interstitial Free steels) стали без фаз внедрения;

(DP) - (Dual Phase steels) двухфазные стали; (TRIP) - (Transformation Induced Plasticity steels) ТРИП-стали;

(CP) - (Complex Phase steels) стали с комплексной фазовой структурой;

(Mart) - (Martens itic steels) марте н-сигные стали;

(Conventional HSS) - (Conventional High Strength Steels) «рядовые высокопроч -ные стали»;

(AHSS) - (Advanced High Strength Steels) «усовершенствованные высокопрочные стали».

В ОАО «ММК» существует опыт производства IF-сталей и сталей с ВН-эффектом. Для них разработаны сквозные технологические инструкции.

Для расширения рынков сбыта стали для автомобильной промышленности, как в России, так и за рубежом, обеспечивающей современную концепцию производства автомобилей минимальной массы, в ОАО «ММК» начался поиск альтернатив-

0

О 200 400 600 800 1000 1200

Минимальный предел текучести,МПа

Рис. 2. Классификация автостапей

Удлинение,

Стали с Ультра-

пониженной высокопрочные

прочностью стали

і Высокопрочные I

^________| стали |______________^

Mild

1------1---г

1-----1----г

1-----1---г

ных марок сталей.

Концепции легирования сталей для произ-водства горячекатаных полос, из которых в дальнейшем изготавливают детали рам, шасси колёс и другие детали автомобилей, за последние десятилетия изменились дважды: от нормализованных сталей с высоким содержанием углерода и серы, микролегированных титаном, к термоме-ханической обработке стали с высоким содержанием титана для контроля формы сульфидов и, наконец, к микролегированным ниобием сталям с низким содержанием серы (титан также применяют для упрочнения таких деталей). Около 40 лет назад типичной сталью для грузовых автомобилей в Германии являлась толстолистовая сталь в нормализованном состоянии (0,2% С, 0,15% И, 0,02% Б). Высокое содержание углерода и титана отрицательно влияло на вязкость и свариваемость. С внедрением термомеханической прокатки полосовой стали удалось значительно повысить свойства материала. Однако в полосовых сталях с высоким содержанием титана прочностные свойства сильно зависели от технологических параметров производства [3]. Как показывает опыт, в результате даже малых изменений температуры конца прокатки или температуры смотки полосы в рулон происходит широкий разброс механических свойств, что не может удовлетворять потребителей.

Применение термомеханической прокатки на непрерывном широкополосном стане позволяет путём оптимизации содержания марганца и микролегирующих добавок производить полосу с гарантированным пределом текучести 380-690 Н/мм2. Сочетание легирования марганцем , ниобием, титаном и бором в комплексе с рациональным выбором параметров термомеханической прокатки и смотки полос в рулон обеспечивает формирование дисперсной бей-нигной, ферригобейнигной и ферригобейниг-но-аустенигной структуры [3].

Проанализировав сортамент выпускаемой продукции и технические возможности широкополосного стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК», сделали вывод о том, что наиболее под -ходящим на данном этапе и наиболее перспектив -ным для дальнейшей разработки является химический состав с низким содержанием углерода (0,08-0,11%). В стали этого типа обеспечиваются высокие пластические свойства готового металлопрока-та благодаря присутствию достаточно мягкой феррит -ной матрицы. Также помимо пластических свойств низ -кое содержание углерода способствует увеличению ударной вязкости в области

вязкохрупкого и вязкого разрушения, повышающему надёжность металлоконструкций. Помимо этого уменьшение содержания углерода улучшает технологические свойства, такие как формуемость в холодном состоянии и свариваемость. Сниже-ние содержания углерода до значений менее 0,09% уменьшает коэффициент ликвации одного из основных легирующих элементов - марганца, потому что в стали не происходит перитектиче -ской реакции, что само по себе способствует снижению сегрегаций Роль марганца велика благодаря значительному положительному влиянию на повышение прочности - для низколегированных сталей легирование марганцем позволяет повысить прочность до 600 МПа.

Как показывают исследования, ванадий образует стойкие карбонигрвды, имеющие высокую температуру растворения в аустениге, поэтому и способствует измельчению зерна. С повышением содержания карбонигрвдов ванадия в стали увеличивается прочность и вязкость.

Преимущество применения ниобия для микролегирования заключается в том, что влияние ниобия сказывается сильнее в горячекатаном состоянии, в то время как влияние карбонигрвдов ванадия - лишь после повторного нагрева (нормализации).

При увеличении содержания ниобия повышаются и прочностные характеристики стали; при этом ниобий по сравнению с ванадием оказывает более существенное влияние на повышение предела текучести. Ниобий в количестве 0,02% замедляет рост зерна и обеспечивает получение мелкозернистой стали (балл 9-11). Для получения такого же эффекта упрочнения содержание ванадия должно быть в 2-3 раза выше массовой доли ниобия.

По нашему мнению, наиболее близко к вы -ше перечисленным критериям подходят три марки стали: 44-2, 08ГСЮТ и 07ГБЮА. Хи-

мический состав перечисленных марок стали представлен в табл.1.

С помощью комбинированной математической модели [5] проведено моделирование процесса контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением полос из стали марок, представленных в табл. 1, с целью получения механических свойств в готовом прокате, удовлетворяющих требованиям потребителей (предел текучести не

Таблица 1

Химический состав стали марок 09Г2С, 08ГСЮТ и 07ГБЮ

Марка стали М ассовая доля химических элементов, %

С Мп Б1 А1 1\1Ь и V Б н Р еболе N2 е

44-2 <0,12 1,3-1,6 0,15-0,25 0,02-0,07 - 0,010-0,035 - 0,015 0,020 0,009

08ГСЮТ <0,09 0,7-1,1 0,15-0,25 0,02-0,07 - 0,01-0,04 - 0,025 0,030 0,012

07ГБЮА <0,11 0,5-0,8 0,15-0,25 0,02-0,05 <0,03 <0,025 - 0,015 0,020 0,010

менее 400 Н/мм , относ и-тельше удлинение не менее 25%). Результаты моделирования процесса контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением полос представлены в табл. 2.

Анализируя результаты проведенного математического моделирования процесса контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением полос из стали марок 44-2, 08ГСЮТ и 07ГБЮА, можно сделать следующий вывод: подкат для производства высокопрочного оцинкованного проката возможно производить только из стали марки 07ГБЮА.

В итоге материалом для производства высокопрочного оцинкованного проката был выбран как лучший прокат из стали марки 07ГБЮА. Ее химический состав представлен в табл. 3.

С помощью комбинированной математической модели [5] были найдены следующие ос -новные температурно-деформационные параметры прокатки полос на ШСГП: температура нагреваслябов 1180-1220°С;

температура конца прокатки 855-885°С;

температура смотки полос 620-650°С;

скорость охлаждения полос на отводящем рольганге 4,8-6,3°С/с.

Полученные механические свойства готового проката представлены в табл. 4.

Как видно из табл. 4, механические свойства проката соответствовали требованиям потребителя.

Полученные результаты полностью удовле-творили потребителя и после переработки от фирмы Вогсеіік (Турция) уже в сентябре был получен заказ на аналогичный сортамент. Результаты механических испытаний готового оцинкованного проката представлены в табл. 5.

Заключение

В работе был проведён анализ мировых тевденций в области автомобилестроения, который показал, что мировым автопроизводителям по-прежнему необходим стальной лист,

Таблица 2

Результаты моделирования процесса контролируемой прокатки сускоренным охлаждением полос

Марка стали Сэ Температура нагреваслябов, °С Ткп, °С Тем, °С СТт, Н/мм2 Ств, Н/мм2 55, %

St 44-2 0,35-0,40 1180-1220 855-885 600-630 360-410 460-490 23-25

08ГСЮТ 0,22-0,30 1180-1220 855-885 600-630 320-360 400-450 28-30

07ГБЮА 0,17-0,25 1180-1220 855-885 600-630 450-500 510-540 26-29

Примечание. Сэ - углеродный эквивалент (Сэ=(С+Мп/6+(Сг+Мо+У)/5+(Си+\11)/15+15*В)), Ткп - температура конца прокатки, Тем - температу ра смотки полос.

Таблица 3

Химический состав стали марки 07ГБЮА

Марка стали М ассовая доля химических элементов, %

С Mn Si Al Ti Nb S P Ni Cr Cu N2

не более

07ГБЮА <0,11 0,5-0,8 0,15-0,25 0,02-0,05 <0,03 <0,025 0,015 0,020 0,3 0,3 0,3 0,01

Таблица 4

Механические свойства проката из стали марки 07ГБЮА

Толщина полос, мм СТт, Н/мм2 Ств, Н/мм2 55, % Твердость, HRB

3,0-4,0 440 -490 500-540 26-32 79-86

Таблица 5

Результаты механических испытаний опытных партий оцинкованного проката из стали марки 07ГБЮА

Толщина, мм стт НЛ СТв лм2 55, % r n

0,75 415 516 24 0,89 0,15

со сложным комплексом свойств: высокой прочностью одновременно с хорошей штампуем остью.

Решением данной задачи является производство проката из новой стали марки 07ГБЮА. Механические свойства готового металлопроката и результаты переработки превосходили за -просы потребителя. Поэтому фирма ВогсеНк (Турция) продолжила сотрудничество в этом на -правлении с ОАО «ММК».

Наличие в ОАО «ММК» стана 2000 горячей прокатки, обладающего широкими технологическими возможностями позволяет производить высококачественный подкат для оцинкованного высокопрочного автолиста.

Библиографический список

Резник Г. По материалам Metal Bulletin, Metal Bulletin Monthly, American Iron and Steel Institute // Металлы мира. 2003. № 3. С. 34-40.

Титов В. Стальной прокат для автомобильной промышленности за рубежом // Национальная металлургия. 2004. № 10. С. 84-89.

Kaup K., Haumann W., Engl B et al. // Stahl und Eizen. 1984. Bd 104. S. 1017-1024.

Майер Л. Тенденции производства и развития в области выпуска горячекатаной полосовой стали для изготовления

грузовых и пассажирских автомобилей // Материалы семинара по разработке и применению микролегированной горячекатаной листовой и полосовой стали. Обзор уровня техники. М., 1996.

5. Денисов С.В., Карагодин Н.Н., Кутуева Р.Я. Методика определения основных технологических параметров контролируемой прокатки, обеспечивающих получение требуемых потребительских свойств // Прогрессивные толстолистовые стали для газонефтепроводных труб большого диаметра и металлоконструкций ответственного назначения: Сб. докл. М.: М еталлургшдат, 2004. С. 111-115.

УДК 519.8:621.777

А. Е. Экк, М. Ю. Семашко, В. Г. Шеркунов

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ КОНФОРМ

Впервые способ непрерывного прессования за счет активных сил трения был опробован Р.Грином в 1971 году. Устройство непрерывного прессования Конформ (рис. 1) состоит из движущегося контейнера (колеса) и неподвижного инструмента (называемого башмаком), который вместе с колесом создает закрытый калибр. Заготовка задается в зазор между башмаком и колесом, силами трения втягивается в зону перед матрицей, где подвергается интенсивному пластине -скому деформированию. По мере поворота колеса давление перед матрицей увеличивается и за счет этого заготовка прессуется через матрицу [ 1].

Большинство работ, посвященных методу Конформ, описывают технологию непрерывного прессования, а вопросы, связанные с проектированием новых устройств для получения изделий с мелкодисперсной структурой без изменения поперечного сечения, не рассматривались. Мало уделено внимания влиянию геометрии инструмента на силовые параметры процесса.

Для математического моделирования процесса, а в частности для определения влияния геометрии инструмента на силовой параметр процесса (момент приложенный к колесу М, Н/мм), из всего разнообразия факторов были выделены основные, что позволило упростить математическую модель и анализ результатов.

В качестве геометрических факторов были выбраны: радиус колеса Я угол обхвата колеса заготовкой уь (град); угол обхвата колеса башмаком уе (град); угол пересечения канала прессования и выходного канала Ф (град). Размеры поперечного сечения канала, образованного колесом и башмаком, приняли неизменными и равными 12^12 (мм). Размеры сечения заготовки такие же, как и у калибра. Такой выбор обеспечивает наиболее благоприятные условия для протекания процесса, так как обеспечиваются условия полного контакта заготовки со стенками канавки колеса.

На силовые параметры процесса большое влияние оказывают механические свойства де-

формируемого материала (напряжение сдвига as, МПа), а также скоростная характеристика (угловая скорость колеса Vk рад/с). Так как процесс протекает только за счет сил трения, значимым фактором является коэффициент трения f.

Для проведения численного эксперимента был составлен план полного факторного экспе-римента и взята дробная реплика от него, представленная в таблице, там же приведены величины верхнего, нижнего и основного уровней варьируемых параметров.

После обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии для опре -деления момента на приводном колесе, которые представлены ниже.

Относительная ошибка определения момента на приводном колесе при моделировании процесса в программе Deform 3D и при помощи полученных зависимостей не превышает 15%.

На графике рис. 2 приведены зависимости момента на рабочем колесе от радиуса колеса установки Сплошная линия - зависимость для угла пересечения канала 135o, точки - для 90o. Для построения графика были использования

прессования Конформ:

1 - рабочее колеоо; 2 - П-образная канавка; 3 - башмак;

4 - кольцевая вставка; 5 - упор; 6 - заготовка; 7 - изделие