К атегория:

Автомобильные эксплуатационные материалы

-

Основные марки сталей и чугунов, применяемых при производстве и ремонте автомобилей

Все стали в зависимости от химического состава разделяют на углеродистые и легированные. К углеродистым относят те, в которых основным элементом, влияющим на свойства, является углерод. Легированные стали содержат добавки различных цветных металлов и неметаллических веществ (кремний, бор), которые изменяют свойства стали в нужном направлении, придавая ей специальные свойства.

Г1о назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные. При производстве и ремонте автомобилей применяют стали углеродистые и легированные всех трех групп, причем сортамент их включает более 250 марок: углеродистые конструкционные обыкновенного качества, углеродистые конструкционные качественные, литейные углеродистые, низколегированные и легированные конструкционные, автоматные, рессорно-пружинные, высоколегированные корро-зионностойкие, жаростойкие и жаропрочные, инструментальные стали и др.

Для обозначения различных марок стали установлена буквенно-цифровая система маркировки сталей.

-

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества применяют для автомобильных деталей, изготовленных с помощью сварки и работающих при небольших нагрузках.

В зависимости от гарантируемых характеристик качества стали Делятся на группы А, Б и В. Стали группы А поставляются по механическим свойствам и маркируются СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб. Стали группы Б посталяются по химическому составу и маркируются БСтО - БСтб. Стали группы В поставляются по механическим свойствам и химическому составу и маркируются ВСт1- ВСтб. Во всех марках буквы Ст обозначают «сталь», а цифры - номер стали. Чем выше номер, тем больше в стали углерода и тем выше ее твердость.

Область применения сталей обыкновенного качества: СтО - Lt4 - малонагруженные детали конструкции кузова автомобиля, кРепежа, гнутые профили; Ст5, Стб - средненагруженные оси, малоответственные болты и гайки, клинья, планки, профили и т. д.

При производстве сталей данного назначения получают два рода сталей: полуспокойную и кипящую. Кипящая сталь при застывании в изложнице обильно выделяет газы - кипит. Для отличия этих сталей в марку стали добавляют буквы «кп» или «пс» например, БСт1пс, Ст2кп.

Углеродистые конструкционные сталп качественные идут на изготовление деталей кузовов, двигателей и нормалей. Стали этой группы подразделяются на подгруппы: малоуглеродистые высокой пластичности марок 08-10, малоуглеродистые меньшей пластичности марок 15-25, среднеуглеродистые повышенной прочности марок 30-55, высокой прочности марок 60-80. Цифры в обозначении марок сталей указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Стали марок 08-10 (содержание углерода от 0,08 до 1%) хорошо деформируются в холодном состоянии, поэтому применяются для штамповки кузовных облицовочных деталей, панелей крыши и дверей. Стали марок 15-25 хуже деформируются, но хорошо свариваются и подвергаются химико-термической обработке. Они применяются для деталей, изготовляемых штамповкой, высадкой и протяжкой (поперечины, распорки, усилители, рычаги, кронштейны, вал рулевого механизма, тяги, шкивы, крепеж и т. д.).

Сталп марок 30-55 идут на изготовление методом горячей штамповки различных деталей широкого применения: валов, зубчатых колес, полуосей и т. д. Для них используют все виды термической обработки, значительно повышающие эксплуатационные и прочностные свойства деталей.

Сталп марок 60-80 обладают высокой прочностью и упругими свойствами, приобретаемыми после закалки и отпуска. Их примениют для деталей, работающих при больших статических и динамических нагрузках: крестовин карданных шарниров, дисков сцепления, гибких валов, пружин и т. д.

Стали литейные углеродистые применяют для изготовления литых автомобильных деталей различными методами литья, в том числе точного для фасонных деталей с минимальным объемом последующей механической обработки.

Марки сталей этой группы обозначают двухзначным числом с добавлением буквы Л, например: 15Л, 20Л, 25Л. Из литейных сталей получают отливки различных корпусных деталей, ступиц колес, дисков, зубчатых колес, муфт, маховиков и т. д.

Низколегированные и легированные стали дороже качественных углеродистых сталей, но по свойствам их существенно превосходят. Ио сравнению с углеродистыми эти стали обладают более высоким пределом прочности, лучшей пластичностью и вязкостью, пониженной хладоломкостью, лучшей коррозионной стойкостью. Легированные стали позволяют обеспечить оптимальные механические свойства валов и других ответственных деталей.

Все положительные свойства легированным сталям придают легирующие добавки элементов: хрома (X), марганца, (Г), никеля (И), кремния (С), молибдена (М), вольфрама (В) и др.

Маркировка легированной стали состоит из двух цифр и последующих букв: цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, буквы - условное обозначение легирующего элемен-

Если после буквы идет цифра, то она указывает на содержание ТцРИрующего элемента в процентах. Отсутствие цифры после буквы бозначает содержание легирующего элемента в пределах менее 1%. Например, 18ХН2М - хромоникельмолибденовая сталь для рычагов привода клапанов, содержащая 0,18% углерода (С), до 1 % хрома /X), 2% никеля (Н2) и до 1% молибдена (М).

Легированные стали применяются в основном на автомобилях для изготовления наиболее ответственных деталей: поршневых пальцев, толкателей, клапанов, шатунов, осей, валов переключения передач, шестерней, сателлитов, полуосей, высокоточных деталей системы питания дизелей и др.

Низколегированные стали применяют для металлоемких несущих элементов конструкции автомобиля, таких, как грузовая платформа, рама, балка моста и др.

Сталь автоматная применяется главным образом для изготовления крепежных автомобильных деталей (болтов, гаек, шпилек) на быстроходных автоматных станках. Для достижения повышенной обрабатываемости она содержит до 0,3% серы и до 1,5% фосфора и поставляется в холоднотянутом состоянии в виде путков. Марка стали перед цифровым обозначением содержания углерода в сотых долях процента имеет букву А - автоматная (А20, А40 - с легирующей добавкой марганца).

Сталь рессорно-пр ужинная подразделяется на качественную, высококачественную и коррозионностойкую и характеризуется высокими значениями предела текучести и выносливости. Наибольшее применение для пружин общего назначения, подвески, рессорных листов и торсионов находят углеродистые качественные стали марок 65, 70, 75, 85, а также стали с таким же содержанием углерода и добавками марганца (60Г, 65Г, 70Г), кремния (60С2, 70СЗ) и др.

Сталь высоколегированная корозионно-стойкая жаростойкая и жаропрочная предназначена для работы в агрессивных средах и при высоких температурах. В зависимости от основного назначения стали этой группы Делятся на подгруппы: I - коррозионностойкую против всех видов коррозии (20X13, 17Х18Н9 и др.); II - жаростойкую до 500 °С (40Х9С2 и др.); III - жаропрочную до 1000 °С (36Х18Н25С2 и др.).

Из сталей указанных подгрупп изготовляют детали систем питания двигателей, запорную иглу карбюратора, пружины, детали форсунок, клапаны, глушители и т. п.

Стали для изготовления инструмента и технологической оснастки отличаются повышенной твердостью и теплостойкостью. Они содержат углерод и различные легирующие добавки. В обозначении марки стали содержание углерода указывается в десятых долях процента, а легирующие элементы обозначаются по аналогии с углеродистыми легированными сталями. Например: 4ХС – 0,4% С, 1% хрома, 1% кремния.

Особую группу инструментальных сталей составляют быстро-Режущие Сталн, которые предназначены для изготовления режущего инструмента быстроходных станков. Они имеют в обозначении марки стали букву «Р» (режущая) и число - процент содержания вольфрама. Например, Р9 - быстрорежущая, 9% - содержание вольфрама, а содержание углерода превышает 0,7%.

Чугуны, применяемые для автомобилей, классифицируются по состоянию углерода в сплаве (микроструктуре) на следующие основные виды: серый чугун (СЧ), белый чугун, ковки чугун (КЧ).

В сером чугуне весь углерод находится в свободном состоянии р. виде пластинчатого или шаровидного графита. Ковкий чугун представляет собой то же, что и серый чугун, но форма включений графита хлопьевидная.

В белом чугуне весь углерод связан в химическое соединение - цементит, вследствие чего он обладает повышенной твердостью.

Серый чугун маркируют буквенно-цифровыми обозначениями. Буквы СЧ обозначают серый чугун, а цифры, написанные через тире - предел прочности при растяжении (первая группа) и при изгибе (вторая группа). Например, СЧ18-36 означает, что серый чугун данной марки имеет предел прочности при растяжении 18 кгс/мм2, при изгибе - 36 кгс/мм2.

Ковкий чугун маркируют так же, как и серый, но вторая группа цифр здесь обозначает относительное удлинение в процентах. Например, КЧ35-10 означает: ковкий чугун с пределом прочности на растяжение 35 кгс/мм2 и относительным удлинением 10%.

Чугуны находят широкое применение при изготовлении автомобильных деталей. Из серого чугуна изготавливают блоки цилиндров двигателей ЗИЛ , ЯМЗ , ГАЗ , головки цилиндров, гильзы блоков цилиндров, картера сцеплений, коробок передач, маховики, тормозные цилиндры, барабаны и др.

Ковкий чугун идет на изготовление деталей повышенной прочнее-; ти и вязкости: картеров редукторов, коробок передач, кронштейнов рессор, коробок сателлитов и др.

Белый чугун применяется для изготовления деталей повышенной усталостной прочности: коленчатых и распределительных валов, седел клапанов, шестерен масляного насоса, суппортов дискового тормоза ВАЗ и др.

Краткая характеристика на Wielarider + Schill InvertaSpot GT

Удовлетворяет всем современным требованиям автопроизводителей и кузовных цехов в отношении надёжности и эффективности. Аппарат с высокочастотной инверторной технологией предназначен для сварки современных сверхвысокопрочных и борсодержа-щих сталей (UHSS, USIBor). Рабочая частота аппарата - 10 000 Гц, номинальный ток сварки 13 000А, давление в точке сварки 650 даН. Омологирован многими автопроизводителями. Главная особенность аппарата - трансформаторные сварочные клещи С-образной конструкции. При использовании клещей этого типа потери мощности минимальны, поскольку преобразование происходит в самих клещах, а потребляемый ими ток не вызывает избыточного нагрева кабеля. Интеллектуальный контроль технологического процесса сварки гарантирует получение сварных точек, аналогичных формируемым в процессе производства автомобилей. Все данные по сварке сохраняются на карте памяти (SD-формат). Имеется возможность записи данных по параметрам 100 000 сварочных точек, что позволяет впоследствии контролировать качество ремонта. Возможна работа с оригинальными данными от производителя (OEM - программа). Если пользователь не может определить качество свариваемых сталей, существует уникальная и защищенная патентом программа тестирования материала. Возможно обновление ПО аппарата через карту памяти SD. Графический дисплей отображает параметры сварки в режиме реального времени по основным параметрам (кА, мсек, даН). Полное микропроцессорное управление позволяет исчерпывающим образом контролировать процесс сварки.

Другие особенности аппарата:

Индивидуальный выбор и установка параметров сварки;
- автоматическое исправление неправильного хода сварки;
- возможность сообщения о необходимости обслуживания насадок электродов;
- вывод сообщений об ошибках в текстовой форме;
- отображение типа наконечников электродов, которые могут использоваться;
- распечатка результатов в формате А4; .
- наличие центрального разъёма для подключения различных сварочных инструментов.

Магнитное поле данного оборудования имеет уровень намного ниже разрешённого предела, поэтому InvertaSpot GT работает с минимально возможным воздействием на организм человека.

Доступна версия для сварки алюминия с током сварки 20 000 ампер.

Аппарат может использоваться не только в кузовном ремонте, но и в производстве, где необходимо проводить качественную сварку. Оборудование может применяться при производстве автобусов, для односторонней сварки кузовных панелей.

Комментарии специалиста

Сварка - один из способов соединения деталей кузова автомобиля, применяемый на сегодня наряду с прочими, например, клейкой и клёпкой. И прошедший достаточно длинный путь совершенствования, отслеживающий, порой с опозданием, модернизацию конструкции автомобиля и обновление материалов, используемых в его производстве.

До недавнего времени именно сварка была фактически единственным способом соединения кузовных деталей без применения резьбовых вариантов крепления. Почему? Причина вполне прагматична и ясна: это быстро, технологично и просто. А также возможно в тех случаях, когда условия не позволяют работать, имея доступ к детали с обеих сторон.

Недостатки сварки проявили себя уже в первом поколении аппаратов для сервисного использования - газовых. Это коррозия по шву, грубый заметный след работы, ослабление материала. Проблемы серьёзные, и решать их было необходимо. В степени, достаточной для своего времени, это удалось благодаря внедрению нового типа аппаратов MIG/MAG, производящих сварку в среде инертного или неинертного газа. Швы стали аккуратнее, коррозионная стойкость выросла. И мастера ненадолго вздохнули с облегчением.

Именно ненадолго -ведь автопроизводители вступили в новую фазу борьбы за клиента. Автомобиль стало необходимо делать всё легче, динамичнее, экономичнее и экологичнее. То есть - перейти к применению прогрессивных материалов, не рассчитанных и в малой степени на старые сварочные технологии.

invertaSpot GT, его С-образные клещи и фотографии экрана.

В первую очередь речь идёт о высокопрочных сталях. При работе с ними сварка швами утратила всякую привлекательность. Ведь проявился её новый, критически опасный недостаток: изменение структуры металла в зоне воздействия высоких температур, ведущее к его переходу из категории высокопрочных в группы обычных сталей. А это -ослабление конструкции автомобиля, делающее его дальнейшую эксплуатацию после серьёзного ремонта опасной.

Шагом к решению проблемы стали аппараты точечной сварки, сводящие к минимуму опасное воздействие и сохраняющие прочность соединения высокой и надёжной. То есть по сути произошел переход от обычной и привычной сварки к более сложному процессу соединения при комплексном воздействии давления и тока. Иное решение - внедрение альтернативных технологий крепления: клейки и клёпки. Не только более сложных и затратных по времени производства работ, но и в корне отличных от заводского технологического цикла. То есть опять-таки заведомо не идеальных.

Но этот компромисс был неизбежен.

Ведь сегодня ремонтникам приходится иметь дело уже не только с высокопрочными сталями - то есть, например, имеющими маркировку HSS, - низкоуглеродистыми с добавлением таких легирующих компонентов, как марганец, ниобий, кремний. Но и с более «серьезными» продуктами, относимыми к группе сверх высокопрочных сталей, то есть борсодержащих.

Слева направо: развитие технологий сварки, сокращающее зону ослабленого сплава

Если этой проблемы кому-то мало, есть и иная. Это необходимость соединять в целостный монолит по крайней мере три слоя различных материалов. Тонких, прочных, упругих, имеющих сложный профиль и несущих полную ответственность за жизнь и здоровье пассажиров при боковом ударе. Читайте тут: в случае низкокачественного ремонта эта ответственность может легко оказаться на плечах, а точнее, на бюджете, кузовного центра. И оказывается! Пока чаще всего - в Европе, но и отечественные страховые компании внимательно изучают все возможности сокращения своих затрат. Так что - клейте, клепайте, варите с неизбывным страхом перед не слишком порой оправданными и трудно опровергаемыми обвинениями.

Или примите как данность необходимость один раз оплатить ускорение процесса ремонта и свой финансовый покой, приобщившись к числу пользователей аппарата четвёртого поколения. Того самого, досье на который мы предложили в начале этой статьи.

Он, по сути, уже не имитирует заводские технологии, а реализует их в полном объёме, позволяя получить соединение, идентичное промышленному. И не только получить, но и иметь полную информацию по реальной оценке качества каждой точки. Ведь аппарат тестирует свою работу и сохраняет отчёт. Полный, являющийся достаточным доказательством для страховой компании. И основанием для начальника цеха или смены принимать автомобиль, не опасаясь подвоха со стороны нового или утомлённого за смену мастера.

Технология

На рисунке (вверху на этой странице) вы видите пример того, что может наблюдать пользователь нового аппарата. Это график. Он демонстрирует нам материалы, соединяемые в данном случае. И проводимый постоянно аппаратом контроль их существенных для работы параметров - изменения сопротивления, например. Для каждого материала имеются статистика и алгоритм, позволяющие не только определить точку плавления, но и «сместить» её во времени. Так, чтобы для всех трех материалов этот процесс начинался фактически одномоментно. То есть, с одной стороны, срок воздействия высоких температур свёлся к минимуму, а с другой - сварка оказалась наиболее успешной и надёжной. До сих пор такое было фактически недостижимо.

Но и это - не всё. Как уже сказано в «досье», аппарат самостоятельно тестирует качество каждой «линзы» и оценивает его в баллах, сохраняя полную информацию в файле отчёта. То есть создает достоверную и объективную картину качества проведённого ремонта и его соответствия заводским стандартам. Именно заводским, - ведь аппарат омо-логирован ведущими автопроизводителями и имеет встроенную ОЕМ-програм-му, позволяющую ремонтнику использовать из базы данных аппарата полную информацию по материалам в зоне сварки конкретной марки и модели автомобиля.

Это даёт возможность работать с полноценной технической поддержкой. Компания «Интерколор» - это единственный сертифицированный дистрибьютор Wielander + Schill на территории России. Интерколор проводит обучение работе на данном типе оборудования и осуществляет техническое обслуживание и при необходимости ремонт.

На фотографии рядом с графиками представлен типичный пример работы InvertaSpot GT. Это одна из стоек - передняя, средняя или задняя. Два слоя стали «узи-бор», и третий - более стандартная высокопрочная сталь. Толщина тоже типична, порядка 1,5 мм. Сварить их между собой достаточно трудно, ведь необходимо обеспечить монолитное соединение для различных составов сплава и условий прогрева.

Центральный слой будет получать совершенно иное воздействие, нежели крайние.

Как добиться высоко качества «линзы», то есть зоны соединения? Попытаться подобрать силу сжатия материалов, ток и длительность воздействия, наиболее подходящие для данного случая.

В аппаратах с Х-образными клещами проблемы «стартуют» с момента выбора режима. Ведь прижимающая сила в точке сварки заведомо не постоянна и зависит, что очевидно из правил элементарной механики, от плеча, - то есть длины электродов. Да и подаваемый ток не стабилен.

Даже мастер высокой квалификации не может определить качество сварной точки, выполненной сварочным аппаратом в каждом конткретном случае. Усилие на разрыв точки можно определить, только проведя необходимые исследования, а эта возможность отсутсвует у работников кузовных цехов. InvertaSpot GT осуществляет самостоятельный контроль процесса сварки, а соответственно и качественные показатели точки.

А продолжаются сложности в различных случаях по-разному, но одинаково неприятно. Здесь и громоздкий трансформатор, «выдающий» до 60 000 А, расходуемые на пять шестых (!) на потери, и силовые кабели, которые греются и собирают на себя весь металлический сор в помещении. И магнитные поля огромной мощности, далеко не полезные для здоровья людей.

InvertaSpot GT решает большую часть перечисленных проблем. Например, до появления аппарата Meredes допускал для ряда моделей в ремонте наиболее ответственных с точки зрения безопасности зон (стоек) лишь клейку и клёпку. Теперь же ситуация изменилась, разрешена сварка указанным аппаратом.

Более того, ряд производителей сейчас намерен серьёзно пересмотреть требования к оборудованию кузовного участка в сторону их ужесточения, поскольку безопасность и жизнь пассажиров - неоспоримый приоритет для них. С этой точки зрения ремонт, не создающий в дальнейшей эксплуатации потенциальных угроз, - достойная визитная карточка для любой компании, декларирующей стиль уважительного отношения к клиенту.

Издание: ПРАВИЛЬНЫЙ АВТОСЕРВИС
Оксана ДЕМЧЕНКО

Если обратиться к сталям для автомобильной промышленности, то окажется, что в значительной степени металловедческие идеи используются при их создании. Это можно объяснить, во-первых, мощной конкуренцией с другими металлами и неметаллическими материалами; во-вторых, высокими и разнообразными требованиями, часто противоречивыми (например, прочность и штампуемость и др.).
Импульсом к интенсивному развитию высокопрочных листовых сталей была принятая в 1969 г. программа создания экспериментального безопасного автомобиля (ESV). В 70-х годах XX в. этот процесс ускорился, и в этот период были разработаны низколегированные марганцовистые стали, стали с добавкой фосфора, дис-персионно-твердеющие и двухфазные стали. В последующие годы были разработаны TRIP-стали, высокопрочные двухфазные стали прочностью 980 Н/мм2 и выше.
В настоящее время повышение уровня требований по экономии топлива и безопасности эксплуатации автомобиля требует повышения прочности листа; вместе с тем для обеспечения уровня технологичности производства металлопродукции сложной формы необходимо использовать лист из сверхвысокоштампуемых сталей. Большинство традиционно используемых путей повышения прочности автолиста приводит к уменьшению характеристик штампуемости, снижению величины коэффициента нормальной пластической анизотропии (коэффициента Ланкфорда r), а также увеличению упрочняемости при деформации, характеризуемой показателем n.
Рассмотрим сталь без фаз внедрения (Interstitial Free (IF) steels - IF-стали). Необходимость получения комплексных изделий сложной формы обусловливает существенное увеличение доли штампованной продукции вследствие уменьшения количества операций при штамповке и сварке, что, в свою очередь, позволяет высвободить оборудование. Например, при изготовлении дверной панели, из листовой особо высокоштампуемой стали появилась возможность ее штамповки только из одной заготовки, в то время как при традиционном способе производства требуется шесть компонентов. Таким образом сокращаются производственные издержки на 20% (стоимость пяти комплектов оснастки). Достижение требуемого уровня штампуемости листа такого типа изделий возможно лишь благодаря использованию IF-сталей. Значения коэффициента Ланкфорда экспоненциально увеличиваются по мере снижения содержания углерода в стали.
Высокопластичные IF-стали, структура которых стабилизирована микродобавками титана или/и ниобия, содержат сверхнизкое количество углерода (≤ 0,005%), который вместе с азотом полностью связан в карбиды, нитриды и карбонитриды. Прочность обусловлена упрочнением твердого раствора кремнием, марганцем и фосфором. Низкие величины отношения σт/σв и высокий коэффициент деформационного упрочнения n (более 0,18-0,19) обеспечивают превосходную глубокую вытяжку и хорошее перераспределение напряжений, что гарантирует высокие прочностные свойства и однородность толщины штампованных деталей кузова. Высокий коэффициент r (более 1,7) обеспечивает хорошее деформационное поведение, делая их пригодными для глубокой вытяжки. Использование IF-сталей вместо рядовых низкоуглеродистых (типа 08Ю) обеспечивает при сохранении прочности снижение массы, пропорциональное глубине вытяжки.
Типичный химический состав IF-стали следующий, маc. %: 0,002 С; 0,01 Si; 0,15 Mn; 0,01 Р; 0,01 S; 0,0025 N; 0,04 Al; 0,016 Nb; 0,025 Ti. Добавочное легирование фосфором, кремнием, марганцем и бором повышает прочностные характеристики IF-сталей. Сталь IF 260 содержит: 0,003% С, 0,01% Si, 1,2% Mn, 0,05% Р, 0,01% S, 0,0025% N, 0,04% Al, 0,0015% В, 0,05% Ti. Микроструктура стали - феррит (рис. 4.73). Сталь IF 180, например, имеет способность к вытяжке, аналогичную стали для глубокой вытяжки 160, в то же время обеспечивает временное сопротивление на уровне стали 220. Эти стали применяются для изготовления различных деталей, в том числе лицевых: дверей, арок колес, капотов, а более прочные стали - для элементов жесткости, деталей шасси и др.

IF-стали могут проявлять относительно низкую ударную вязкость после формования или глубокой вытяжки. Тем не менее концерн JFE недавно сообщил о применении уникальных технологий, позволяющих сочетать повышение прочностных характеристик за счет зернограничного рафинирования с дополнительным твердодисперсным упрочнением. Это предопределило создание высокопрочных (σв = 450 Н/мм2) мелкозернистых (7-8 мкм) IF-сталей, в которых содержание углерода приблизительно в два раза выше, чем в обычных IF-сталях.
Стали, упрочняемые в процессе сушки лакокрасочного покрытия (ВН-стали). Преимуществом ВН-сталей является упрочнение, достигаемое в едином технологическом потоке в процессе сушки лакокрасочного покрытия кузова. Упрочнение происходит в два этапа. Высокопрочный прокат, обладая исходной высокой пластичностью и низким значением предела текучести (сравнимыми с аналогичными показателями для низкоуглеродистых мягких сталей), приобретает высокую прочность при холодной штамповке с последующим дополнительным упрочнением (повышение пределов текучести и прочности) после сушки лакокрасочного покрытия при температуре более 150 °С. При размножении дислокаций в процессе деформации происходит перераспределение межузельных атомов растворенного углерода в матричной фазе с последующим их закреплением вследствие сушки на этих дефектах кристаллического строения. Мелкозернистая структура, обеспечиваемая добавками алюминия и других микролегирующих элементов, а также пониженное содержание вредных примесей увеличивают количество углерода на границах зерен и тем самым существенно повышают верхний предел упрочняемости ВН-сталей. Упрочняемость металла зависит от количества растворенного углерода, колебания содержания которого влияют на стабильность прочностных свойств. Прецизионное легирование ниобием и/или титаном с последующим высокотемпературным отжигом (после прокатки) обеспечивает необходимое выделение углерода из карбидов этих металлов, а также стабильную упрочняемость ВН-сталей. На упрочняемость ВН-сталей, содержащих титан, значительное влияние оказывает уровень содержания серы. Если ее содержание высокое, то наряду с TiC будет преимущественно выделяться фаза Ti4C2S2, растворить которую при температурах растворения карбида титана не удастся. Отсюда следует, что с уменьшением содержания серы в ВН-стали возрастают количество растворенного углерода в ней и, соответственно, упрочняемость. Марганец, в свою очередь, может нивелировать эффект повышенного содержания серы вследствие образования MnS.
Состав и технология производства ВН-сталей разработаны с целью увеличения предела текучести в процессе низкотемпературной термообработки, в особенности при сушке лакокрасочного покрытия. ВН-стали могут таким образом обеспечивать повышенную прочность металла детали, при этом сохраняя хорошую формуемость. В сравнении с другими штампуемыми сталями рассматриваемые стали обеспечивают следующие преимущества:
- повышенное сопротивление к вмятинам готовых деталей с небольшой деформацией при формовке (капот, крыша, двери, крылья);
- существенный потенциал сокращения массы при эквивалентном сопротивлении вмятинам (уменьшение толщины компенсируется увеличенным пределом текучести вследствие процесса термообработки).
ВН-стали применимы для изготовления наружных и конструктивных элементов кузова автомобиля. Гарантированный предел текучести этих сталей: 180, 195, 220, 260, 300 Н/мм2, эффект BH обычно превышает 35-40 Н/мм2.
Легирование фосфором повышает прочность и стойкость низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталей к атмосферной коррозии. Стали с твердорастворным упрочнением созданы для обеспечения повышенной прочности при сохранении хорошей способности к вытяжке. Упрочнение достигается за счет присутствия фосфора в твердом растворе феррита. Их применение особенно рекомендуется для конструктивных и крепежных деталей, к которым предъявляются требования по уровню усталостных свойств и ударной прочности. Стали раскислены алюминием, имеют меньшую способность к вытяжке в сравнении с IF-сталями. Стандартные уровни их предела текучести - 220, 260, 300 Н/мм2.
Двухфазные стали (Dual Phase (DP) steels - DP-стали) с ферритно-мартенситной (или ферритно-бейнитной) структурой имеют высокие прочностные свойства. «Мягкий» феррит (до 80%) придает высокие пластические свойства DP-сталям в исходном состоянии. В процессе штамповки деформационные напряжения концентрируются в ферритной фазе, при этом достигается высокая степень деформационного упрочнения (в сочетании с высоким относительным удлинением), что гарантирует очень высокий предел прочности DP-сталей. По сравнению с конструкционными низколегированными высокопрочными сталями (HSLA), имеющими аналогичное значение предела текучести, DP-стали демонстрируют более высокую скорость начального деформационного упрочнения, более высокое относительное удлинение и предел прочности, а также меньшее отношение σт/σв. Величина временного сопротивления DP-сталей достигает 1000 Н/мм2 (DP 700/1000). В DP-сталях углерод обеспечивает формирование мартенситной фазы и в комплексе со сбалансированными добавками Mn, Cr, Mo, V и Ni - их прочностные свойства. Состав двухфазных сталей очень разнообразен, например, состав горячекатаной стали напрямую связан с технологическими возможностями оборудования: чем больше возможности охлаждения на отводящем рольганге стана и ниже возможная температура смотки, тем ниже может быть содержание легирующих элементов. Принципиальная схема получения двухфазной структуры - выделение необходимого количества феррита и последующее интенсивное охлаждение для получения мартенсита - приведена на рис. 4.74.

Высокая способность к деформационному упрочнению обусловливает хорошее перераспределение напряжений и, следовательно, штампуемость. Предел текучести готовой детали существенно выше, чем исходной заготовки. Высокие конечные механические свойства обеспечивают высокую усталостную прочность и высокую способность к поглощению энергии, давая возможность использовать их в конструктивных элементах и элементах крепления. Однако для изготовления многих деталей автомобиля требуется очень высокопрочный металл (например, крепление дверей и др.), хотя они имеют простую форму. Вследствие этого их деформация в процессе производства недостаточна для получения преимуществ двухфазной стали. Для этого разработаны двухфазные стали широкого диапазона прочности: DP 450, 500, 600, 780, 980, 1180 при повышенной деформируемости. Здесь основная идея - повышение прочности с увеличением объемной доли мартенсита (рис. 4.75). Стали производятся в холоднокатаном и горячекатаном (DP 600) состояниях.

TRIP-стали (Transformation Induced Plasticity (TRIP) steels), микроструктура которых представляет собой ферритную матрицу с дисперсно-распределенными включениями прочной мартенситной и/или бейнитной составляющей. Временное сопротивление находится в интервале 590-980 Н/мм2. Обязательным условием реализации феномена высокой пластичности является наличие в структуре остаточного аустенита (≥ 5%), который постепенно претерпевает мартенситное превращение при деформации металла, все более увеличивая степень деформационного упрочнения в процессе формовки (рис. 4.76). Параллельно, аналогично DP-сталям, происходят другие процессы упрочнения. Прокат из TRIP-стали демонстрирует очень высокую прочность, пластичность и высокое равномерное удлинение. Содержание углерода, кремния и/или алюминия в TRIP-сталях повышено по сравнению с DP-сталями, однако для обеспечения свариваемости содержание углерода в них не должно превышать 0,2%. При минимально допустимых концентрациях углерода остаточный аустенит превращается в мартенсит уже на начальных стадиях деформирования. При повышенном содержании углерода остаточный аустенит более стабилен и мартенситное превращение происходит только при штамповке вследствие высокой степени деформации. Более того, остаточный аустенит в этом случае содержится в структуре уже готового изделия, и дополнительное мартенситное превращение (упрочнение) происходит даже в результате возможного столкновения автомобиля с каким-либо объектом.

Типичный химический состав TRIP-сталей включает: 0,2% С, 1,5% Mn и 1,5% Si (легированные кремнием TRIP-стали 700/800) или 0,2% С, 1,5% Mn и 2,0% Al (легированные алюминием TRIP-стали 600). Степень упрочнения DP- и TRIP-сталей гораздо выше, чем низколегированных HSLA-сталей, что обеспечивает их несомненные преимущества применительно к процессам штамповки и формования.
Для получения стабильного остаточного аустенита после непрерывного отжига необходима повышенная концентрация углерода в нем. Обогащение углеродом происходит при превращении в феррит и бейнит. Чтобы усилить обогащение углеродом, следует предотвратить выделение цементита, и для этого в состав стали добавляют кремний и алюминий. TRIP-стали отличаются высоким значением n и низким значением r и пригодны к глубокой вытяжке. TRIP-стали, как и двухфазные, обладают высокой способностью к энергопоглощению, стали обоих классов упрочняются при сушке лакокрасочного покрытия, а в TRIP-стали, кроме того, с повышением скорости деформирования активируется мартенситное превращение. TRIP-стали, как и двухфазные, с успехом применяют для изготовления деталей конструкции автомобиля.

TRIP-стали производятся в холоднокатаном и горячекатаном состоянии. Стандартный продукт, производимый ведущими металлургическими компаниями: TRIP 590, TRIP 690, TRIP 780 (цифры означают минимальный гарантированный уровень временного сопротивления в Н/мм2), для наиболее прочной стали относительное удлинение составляет не менее 23% для холоднокатаной и 20% для горячекатаной стали. Применение TRIP-сталей предпочтительно для изготовления элементов безопасности и креплений бампера.
Многофазные стали (Complex Phase (CP) steels - CP-стали) имеют высокодисперсную ферритную структуру с большой объемной долей твердых фаз (структурных составляющих). Обычно композиция легирования отличается от применяемой для DP- и TRIP-сталей дополнительным микролегированием ниобием, титаном и/или ванадием с целью формирования мелкодисперсных упрочняющих фаз. CP-стали обладают высоким значением предела текучести (обычно более 800 Н/мм2), а также способностью демпфировать ударные воздействия в упругой области и при малых деформациях. Семейство многофазных сталей расширяет интервал горячекатаных сверхвысокопрочных сталей. Основные преимущества сталей этого типа - комбинация высокой прочности и пластичности вследствие исключительно дисперсной структуры, состоящей из феррита и бейнита (800), дисперсионно-упрочненного бейнита (1000) и мартенсита (1200) (рис. 4.77), а также большая толщина (горячекатаное состояние). Разработаны многофазные холоднокатаные листовые стали класса прочности 980 Н/мм2, обладающие способностью к отбортовке, хорошими динамическими характеристиками и свариваемостью: их используют для изготовления деталей сидений и элементов конструкции кузова. Сохранение гарантированной способности к отбортовке обеспечивается однородной структурой относительно прочного феррита и продуктов низкотемпературного превращения.
Листовые стали, содержащие 0,07% С, 0,6% Si, 2,4% Mn, имеют следующие типичные показатели свойств: σт = 710 Н/мм2, σв = 1010 Н/мм2, δ5 = 14%, δр = 8%.

Современные многофазные стали разрабатывались не только с целью понижения массы, но и для повышения безопасности эксплуатации автомобилей. Использование традиционных механизмов упрочнения, таких как твердорастворное или дисперсионное упрочнение, ухудшают штампуемость. В отличие от традиционных материалов двухфазные, CP- и TRIP-стали демонстрируют большую прочность при достаточно хорошей штампуемости (причем в некоторых случаях очень высокой) (рис. 4.78). Механические свойства многофазных сталей превосходят механические свойства холоднокатаных высокопрочных сталей (HSLA). Эти стали характеризуются более высокой прочностью по сравнению с высокопрочными сталями типа IF. Однако производство таких сталей весьма сложно и требует точного соблюдения технологических параметров.
Мартенситные стали (Martensitic (Mart) steels) обеспечивают величину временного сопротивления до 1500 Н/мм2. Эти стали подвергают закалке с последующим отпуском для повышения пластичности и обеспечения высокой формуемости при очень высоких величинах деформации. Сверхвысокопрочные листовые стали используются, главным образом, для элементов жесткости. Детали из таких сталей изготавливают гибкой в штампах или на роликовых машинах, однако такие стали склонны к растрескиванию и упругому возврату. В последние годы переходят на более высокотехнологичные процессы - горячей листовой штамповки с закалкой в штампе. Листовую заготовку помещают в нагревательную печь, выдерживают до достижения температуры аустенитной области, передают на пресс, где выполняется штамповка в аустенитной области, после чего быстро охлаждают в штампе для получения мартенситной структуры. Для стали, содержащей 0,2% С, 1,2% Mn и 0,002% В, требуется скорость охлаждения не менее 30 °С/с. Технология используется для изготовления изделий сложной формы, таких как элемент жесткости стойки кузова автомобиля.
Для дальнейшего повышения прочности требуется решить много задач: способность к гибке и сохранение формы после штамповки, свариваемость, большой разброс механических свойств, склонность к водородному охрупчиванию.
Свариваемость особенно важна для высокопрочных листовых сталей с покрытием. При

Cэ = С + Si/30 + Mn/20 + 2Р + 4S = 0,24

и выше свариваемость точечной сваркой ухудшается, разрушению подвергается сварное соединение. У сверхвысокопрочных сталей (класса 1180 Н/мм2 и выше) может проявиться склонность к водородному охрупчиванию из-за поступления водорода из окружающей среды и превышения предельного содержания диффузионноподвижного водорода в стали. Водород может проникать в металл в процессе производства, окрашивания, эксплуатации.
Существует много технологий, позволяющих производить полосовую и листовую сталь, обладающую высокой прочностью, содержащую ниобий, ниобий в комбинации с титаном или ванадием. В качестве примера можно привести производство горячекатаной полосы с бейнитной микроструктурой, упрочненной по различным механизмам, предел текучести которой превышает 750 Н/мм2. Использование такой полосовой стали в автомобилестроении основывается на следующих критериях: снижение массы автомобиля, легкость обработки и оптимизация технологических процессов. Горячекатаные полосовые микролегированные стали, используемые для изготовления элементов рамы грузовиков, колес легковых автомобилей, а также для изготовления различных мелких деталей автомобиля, удовлетворяют перечисленным требованиям. Из этих сталей может также производиться заготовка в виде труб и профилей. Микролегированная высокопрочная холоднокатаная полоса используется при производстве сталей для автомобильных кузовов, несущих деталей и элементов безопасности.
С каждым годом увеличивается объем применения высокопрочных сталей нового поколения типов AHSS (advanced high-strength steels) и UHSS (ultra high-strength steels) с пределом текучести от 400 до 1200 Н/мм2. Необходимо учитывать, что их применение требует не только значительных изменений методов проектирования конструкции деталей, но и технологии штамповки, освоения новых технологий изготовления деталей и узлов (гидроформовка, профилирование, лазерная сварка кузова и т.д.). Зарубежный опыт показывает, что стали этих типов целесообразно использовать на предприятиях-изготовителях автокомпонентов, влияющих на пассивную безопасность автомобиля (брусья безопасности, лонжероны, элементы системы бампера и т.д.). Увеличение использования высокопрочных сталей приводит к необходимости увеличения объема использования современных компьютерных методов не только конструирования деталей, но и моделирования условий их работы, для выбора стали оптимального типа с точки зрения ее механических и технологических свойств (штампуемости) в каждом конкретном случае.
Активно разрабатываются высокопрочные (σт ≥ 600 Н/мм2) аустенитные стали (Twinning Induced Plasticity - TWIP steels - TWIP-стали), которые обладают очень высокими пластическими свойствами (полное удлинение более 80%). Уникальные свойства этих высокомарганцовистых (до 30% Mn) сталей, содержащих до 9% алюминия, обеспечиваются двойникованием кристаллической решетки. Низкая энергия дефектов упаковки в сочетании с упрочняющим деформационным мартенситным превращением позволяет эффективно упрочнять эти стали при гидропрессовании.
Легированные высокомарганцовистые (15-30% Mn) стали проявляют два основных деформационных механизма: 1) пластичность, наведенная двойникованием (TWIP), и 2) превращением (TRIP).
Вид реализуемого механизма пластической деформации определяется энергией дефекта упаковки. TRIP-стали вследствие образования твердой мартенситной фазы характеризуются ярковыражен-ным деформационным упрочнением и повышенной вязкостью, но по сравнению с TWIP-сталями менее пластичны. Для достижения максимальной способности к глубокой вытяжке необходимо использовать стали с содержанием марганца около 25% - для оптимального уровня дефекта упаковки. До настоящего времени использовали TWIP/TRIP-стали с содержанием углерода менее 0,05%, ведутся разработки по созданию Mn-Al-Si-C-сталей для облегченных конструкций с более высоким содержанием углерода и пониженным содержанием марганца. Эта замена представляет не только оптимальную с точки зрения затрат и технологического процесса альтернативу, но и позволяет повысить предел текучести и способность к глубокой вытяжке.
Высокопрочные и сверхпластичные стали нового поколения для облегченных конструкций (TRIPLEX-стали) на основе четырехкомпонентной системы Fe-Mn-Al-C с содержанием алюминия до 12% характеризуются более низкой удельной массой (до 14%), высоким пределом текучести (800-1000 Н/мм2) и повышенным относительным удлинением (до 70%), а также превосходной способностью к глубокой вытяжке. Структура стали состоит из аустенитной матрицы Fe(Mn, Al, С), объемных частиц феррита и нанодисперсных частиц k-карбидов. Достигаемое посредством термической обработки управляемое и равномерное распределение k-карбидов приводит к прецизионному равномерному сдвигу кристаллической решетки. Это обусловливает чрезвычайно высокую формуемость. Этот механизм обозначается как SIP-effect (shear band induced plasticity).
В работе рассмотрены стали, содержащие 18-28% марганца, 9-12% алюминия, 0,7-1,2% углерода. Такие стали также имеют пониженную плотность - до 6,6 г/м3 (снижение примерно на 17%) при содержании алюминия 12%, это связано как собственно с добавкой алюминия, так и с изменением соотношения α- и γ-фаз. В структуре рекристаллизованной TRIPLEX-стали наблюдается аустенитная матрица, характеризующаяся наличием двойников отжига, 6-8% феррита и дисперсных k-карбидов.
Расчет термодинамической стабильности аустенита по отношению к мартенситному превращению показывает, что свободная энергия Гиббса положительна и составляет примерно 1755 Дж/моль, что говорит о высокой стабильности аустенитной фазы по отношению к формированию гексагонального плотно упакованного ε-мартенсита. Величина энергии дефектов упаковки составляет (по оценке) 110 Дж/м2, что свидетельствует о том, что аустенитная матрица с высоким содержанием алюминия, вероятно, не склонна к сильному формированию двойников, как это наблюдается у сталей с пластичностью, обусловленной двойникованием и для которых характерны более низкие энергии дефектов упаковки (25-30 Дж/м2). При комнатной температуре предел текучести такой стали составляет 730 Н/мм2, временное сопротивление 1000 Н/мм2, показатель деформационного упрочнения при деформации 0,1 составляет 0,58, что выше, чем для обычных высокопрочных сталей и аустенитной коррозионностойкой стали. Сталь характеризуется высокой удельной поглощенной энергией при динамическом нагружении (например, при имитации столкновения), что примерно в два раза превышает показатель, характерный для обычных сталей при глубокой вытяжке.
Важным деформационным механизмом, обеспечивающим повышенную пластичность, является гомогенное формирование полос сдвига (SIP-пластичность) благодаря скольжению дислокаций, которому способствует равномерное расположение наноразмерных k-карбидов, когерентных по отношению к аустенитной матрице.
Благодаря значительному понижению плотности, высокой прочности, отличной формуемости, ударостойкости TRIPLEX-стали можно применять при производстве ударостойких компонентов и конструкций рамы автомобиля.
Двухфазные стали (DP) и низколегированные стали с остаточным аустенитом (TRIP), как известно, имеют высокое относительное удлинение. Однако так как эти стали характеризуются большим различием твердости основной фазы, которая состоит из мягкого полигонального феррита и твердой второй фазы - мартенсита, у них могут быть проблемы при раздаче отверстия из-за формирования пор на границе этих фаз во время прошивки. Чтобы исключить эту проблему, была предложена идея однофазной стали с бейнитным ферритом. Наноструктурированная горячекатаная сталь NANOHITEN (разработка компании JFE Steel) с высоким пределом текучести (780 Н/мм2) создана на основе ферритной структуры, упрочненной дисперсными частицами.
Основные металловедческие идеи этой стали:
- однофазная микроструктура с использованием феррита как матрицы;
- упрочнение выделениями карбидов размером несколько нанометров;
- чрезвычайно высокая термическая стабильность выделений;
- из-за большого упрочнения, достигнутого дисперсионным твердением, возможность избежать использования кремния как элемента, упрочняющего твердый раствор.
Подобная микроструктура обеспечивает высокую величину относительного удлинения (до 25%). Поскольку сталь «NANOHITEN» не содержит кремния, она хорошо поддается горячему цинкованию и уже используется в конструкциях кузова и элементах безопасности, а также для рычагов, кронштейнов и деталей шасси.
С использованием теории Орована-Эшби можно подсчитать, например, что при количестве карбидов, таких, как TiC 0,08 мас. %, возможно достигнуть дисперсионного упрочнения порядка 700 Н/мм2, если размер частиц составляет 1 нм. Основываясь на этом результате, цель при разработке стали NANOHITEN состояла в том, чтобы увеличить степень дисперсионного твердения путем измельчения частиц. Однако если частицы мелкие, но термически нестабильны, может произойти их огрубление вследствие отклонений параметров технологии, вызывая снижение прочности и ее разброс. Было установлено, что дисперсные частицы выделяются в системе, в которой к базовому составу (0,04% С; 1,3% Mn) добавлено соответствующее количество Ti и Mo. На рис. 4.79 приведены структура стали NANOHITEN (SEM) и выделения (ТЕМ). Матрица представляет собой однофазную структуру феррита и большое количество ультрадисперсных частиц размером порядка 3 нм. Частицы когерентны матрице и представляют собой фазу (Ti, Мо)С, имеют период решетки 0,431 нм, который практически идентичен периоду решетки TiC.

Выделения в стали NANOHITEN имеют чрезвычайно высокую термическую стабильность (рис. 4.80) при температурах 650 °C и выше (слабую склонность к коагуляции). Авторы предполагают, что это связано с торможением диффузии титаном, но нельзя исключать влияние молибдена. Процесс горячей прокатки, используемый в производстве стали NANOHITEN, фактически аналогичен обычному процессу производства стали стандартных категорий, и дисперсионно-упрочненная однофазная ферритная структура получена при температуре смотки, используемой для стандартных сталей. Если обычная дисперсионно-упрочненная сталь смотана при таких высоких температурах, в структуре обычно формируется перлит, в данном случае была стабильно получена ферритная однофазная структура, так как в стали снижено содержание углерода и присутствует добавка молибдена, который подавляет образование перлита. Кроме того, в отличие от многофазных сталей и обычных дисперсионно-упрочненных сталей, которые склонны к изменению прочности в зависимости от условий смотки, отклонения предела прочности стали NANOHITEN незначительны из-за комбинации однофазной ферритной структуры и стабильности выделений. Кроме того, так как большое упрочнение, связанное с выделениями, происходит в процессе смотки в рулон, сталь NANOHITEN класса 780 в процессе прокатки имеет сопротивление деформации, эквивалентное сталям классов 540-590 Н/мм2.

Сталь NANOHITEN обеспечивает чрезвычайно хороший баланс удлинения и раздачи отверстия по сравнению с обычной высокопрочной сталью. Она может быть произведена в виде тонких горячекатаных листов и использоваться для горячего глубокого гальванизирования, ее потенциальное использование не ограничено деталями шасси, но включает и конструктивные элементы кузова автомобиля. Для данной стали наблюдали увеличение предела усталости, соответствующее повышению прочности (в отличие от стали с добавкой кремния). В связи с низким содержанием углерода сталь имеет хорошую свариваемость.
Одна из основных металловедческих идей - «структура определяет свойства». Один из вариантов практического ее применения - получение гаммы структур путем применения оборудования с широким интервалом технологических возможностей: например схем охлаждения. Из низколегированной стали одного химического состава можно получить, например, следующий набор структур: полигональный феррит + перлит (здесь может быть несколько классов прочности в зависимости от размера зерна феррита, определяемого режимом прокатки и последующего охлаждения); феррит + бейнит; бейнит различных типов; бейнит + мартенсит (5%); феррит + мартенсит (≤ 50%); мартенсит (≥ 60%) + феррит и др.
Временное сопротивление при этом может меняться от 550-600 до 1000-1200 Н/мм2, соотношение σт/σв от 0,60-0,65 до 0,85-0,90 и др. При этом выплавляется и разливается одна марка стали, упрощается технология выплавки и разливки. Путем изменения технологии прокатки получаются различные продукты. В этом подходе есть свои минусы и плюсы; основной минус состоит в том, что для стали ряда классов прочности (менее прочных) могут быть использованы и более дешевые варианты легирования.

Если бы не глобальное оледенение, по Земле до сих пор бы бродили динозавры. А если бы не проигрыш армий Сирии, Египта, Ирака и Иордании в так называемой войне Судного дня с Израилем в октябре 1973 года, то не было бы последующего нефтяного кризиса, то есть топливного бойкота арабскими странами Америки и Европы. И кто знает, как бы пошла тогда эволюция основного кузовного материала — стали?

В плоть до семидесятых годов прош-лого века кузова по-прежнему производили преимущественно из дешевой низкоуглеродистой стали с высоким содержанием кремния и кислорода — ее еще называют кипящей. Разве что к пятидесятым годам миллиметровые внешние панели для снижения себестои-мости и массы сделали тоньше — толщиной 0,8 мм. А из более качественной спокойной стали, пластичность которой выше благодаря пониженной концентрации кремния и кислорода, штамповали лишь некоторые сложные детали.

Но тут грянула война Судного дня, а за ней — и нефтяной кризис. Очереди на заправках, снижение популярности исконно американских больших, тяжелых и мощных машин... В 1978 году в США ввели средние корпоративные нормы по расходу топлива, известные как CAFE (Corporate Average Fuel Economy). А еще как раз в те времена в Америке всерьез озаботились пассивной безопасностью. И автопроизводители оказались в тисках. С одной стороны, машины должны были стать безопаснее, но с другой — экономичнее. Может, вообще отказаться от стали?

Прогресс металлургии, конечно, не стоял на месте. Сталелитейные компании в те времена уже выпускали автомобильный прокат повышенного качества IF (Interstitial Free, без фаз внедрения) с очень низким содержанием углерода (около 0,002%) и азота и с микролегированием титаном и ниобием. Но в 1975 году, согласно данным аналитического агентства Ducker, на сталь повышенной прочности, в том числе на IF, в конструкции кузова в среднем приходилось менее 5%.

В конце 70-х к интенсивным разработкам в области несущих алюминиевых кузовов приступили Porsche и Audi, а в 1984 году Pontiac Fiero и Renault Espace обзавелись пластиковыми наружными панелями. И вот тут крупнейшие поставщики стального проката задумались. Ведь переход автоконцернов на альтернативные материалы грозил потерей многомиллиардных прибылей!

Несущий кузов проекта ULSAB, спроектированный почти двадцать лет назад, был невероятно передовым. Доля мягких сталей в нем составляла менее 8%, все остальное — обычная «высокопрочка» плюс несколько усилителей из сверхвысокопрочной стали. Масса — около 200 кг. Многие технические решения с успехом применяются и в современных кузовах: так называемые Tailored Blanks, то есть детали из заготовок переменной толщины и прочности, гидроформинг, а также соединения лазерной сваркой и клеем

В начале 1990-х свыше тридцати крупнейших производителей стали и металлопроката, в том числе Nippon, Posco, Tata, Krupp и U.S. Steel, объединились в консорциум под названием ULSAB (Ultralight Steel Auto Body) для разработки облегченного стального кузова. Проект, к которому привлекли компанию Porsche Engineering, стартовал в 1994 году. В качестве точки отсчета инженеры усреднили характеристики нескольких серийных автомобилей того времени, включая BMW пятой серии, Mercedes Е-класса, Хонду Accord и Lexus LS. В итоге масса референсного кузова оказалась 271 кг, а жесткость на кручение — 11500 Нм/градус. Спустя четыре года был сделан опытный образец кузова, в котором суммарная доля высокопрочных (предел текучести 210—550 МПа) и сверхвысокопрочных сталей (свыше 550 МПа) составила 90% при толщине деталей от 0,65 до 2 мм. Массу удалось снизить на 70 кг, а жесткость на кручение выросла в два раза!

А экономический расчет специалистов Porsche Engineering показал, что всего через два года массового выпуска себестоимость таких кузовов будет не выше, чем у тогдашних серийных.

Как мы знаем, это не помешало расширять применение алюминия таким компаниям, как Audi, Jaguar, BMW или Mercedes-Benz. Но самым востребованным кузовным материалом до сих пор остается сталь: консорциум ULSAB собирался не зря.

Впрочем, концерн BMW и без того постоянно увеличивал долю высокопрочных сталей. Если в 1981 году в кузове пятой серии поколения E28 было всего четыре процента «высокопрочки», то через семь лет в Е34 — двенадцать, а в E39, дебютировавшей в 1995-м, — уже сорок.

Сталь получают из чугуна, снижая в нем концентрацию углерода. В первой половине ХХ века производство стали осуществлялось в мартеновских печах. Туда загружали чугун, стальной лом, железную руду и известняк — и плавили шихту, используя коксовый или природный газ. Плавка длилась до десяти часов и требовала большого количества топлива, а качество готового продукта оставляло желать лучшего. Сейчас сталь получают кислородно-конвертерным способом: в огромный сосуд (на фото) заливают жидкий чугун и продувают его технически чистым кислородом. Этот процесс гораздо эффективнее, длится меньше часа и не требует внешнего источника тепла

Сейчас в каталоге крупнейшего в мире производителя стали ArcelorMittal значится больше семидесяти разновидностей проката для автомобильной промышленности. А что в России? Увы, наши металлурги долгое время вообще не могли производить подобный качественный прокат — и лишь в 2011 году окончательно прекратили выплавлять сталь старым и неэффективным способом в мартеновских печах. Хотя в Германии, США и Японии их «потушили» еще в начале 90-х, перейдя на современный кислородно-конвертерный процесс. У нас же тогда только-только освоили выпуск -IF-проката. А история помнит времена, когда вазовские машины на треть состояли из импортной стали.

MODERN HIGH-TECH 05ХГБ STEEL INTENDED FOR THE MANUFACTURE OF WELDED OIL AND GAS PIPES WITH IMPROVED OPERATIONAL RELIABILITY

D. KUDASHOV, G. SEMERNIN, I. PEIGANOVICH, ITC «Vyksa metallurgical plant» JSC, L. EFRON, P. STEPANOV, S. MOKEROV, CPTR «United metallurgical company» JSC (OMK)

Специалисты инженерно-технологического центра АО «ВМЗ» разработали новую трубную сталь для сварных нефтегазопроводных труб повышенной коррозионной стойкости и эксплуатационной надежности. Разработана технология производства, позволяющая гарантированно обеспечивать высокий уровень свойств основного металла и сварного соединения труб. Результаты масштабных испытаний новой стали, в том числе в условиях эксплуатации, свидетельствуют о том, что при большей технологичности трубы из новой стали по своей коррозионной стойкости в различных средах превосходят лучшие из известных аналогов.

The engineering and technology center of «VSW» JSC has developed a new pipe welded steel for oil-gas pipes with increased corrosion resistance and operational reliability. The developed technology of production, which guarantee to provide a high level of properties of base metal and welded joints of pipes. The results of large scale tests of new steel, including under operating conditions, indicate that the greater the processability of the pipes of the new steel for its corrosion resistance in various environments surpass the best of the known analogues.

Растет потребность отечественных нефтегазодобывающих компаний в нефтегазопроводных трубах, отличающихся повышенной коррозионной стойкостью. В нормативно-технической документации, как правило, требования к коррозионной стойкости нефтегазо­проводных труб из низколегированных сталей ограничиваются узким перечнем испытаний: стойкость к водородному растрескиванию (HIC), сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (SSC) и общей коррозии (ОК). Положительные результаты указанных испытаний свидетельствуют лишь о стойкости продукции к коррозионному растрескиванию, связанному с воздейст­вием высокого парциального давления сероводорода. Подобные условия на территории России встречаются локально в разных регионах, а коррозионные поражения, вызванные сероводородным растрескиванием, не массовые. Таким образом, соблюдение данных требований зачастую не гарантирует высокой эксплуатационной надежности продукции в разных условиях.
Важнейшим условием обеспечения долговечности трубопровода, повышения наработки на отказ (срока безаварийной эксплуатации) является гарантированное качество каждой из его составляющих. Существенную роль играет технологичность продукции. Нефтегазопроводные трубы из низколегированных сталей, применяемые сегодня крупнейшими нефтегазодобывающими компаниями РФ, порой не технологичны. Согласно последним исследованиям, проведенным совместно с НИЦ «Термохимия материалов» (НИТУ МИСиС), в процессе сварки таких сталей, как 13ХФА и 09ГСФ, образуется ряд тугоплавких окислов, не всегда удаляемых из сварного соединения, что негативно сказывается на качестве.
Недостаточно эффективно в условиях контролируемой прокатки рулонного и листового проката и микролегирование стали ванадием, необходимое для обеспечения требуемого химического состава данных марок стали. Микролегирование дает лучшее качество при производстве бесшовных труб.

Разработка новой марки стали

В 2010 г. специалисты АО «ВМЗ» с привлечением ведущих научно-исследовательских организаций приступили к разработке инновационной трубной марки стали, которая должна отвечать следующим требованиям:
– иметь наиболее востребованный класс прочности (К52);
– быть хладостойкой до -60 °С;
– быть коррозионно стойкой в различных средах;
– иметь хорошую свариваемость как в условиях завода, так и в полевых условиях;
– обладать высокой технологичностью.
Требования к механическим свойствам труб представлены в табл. 1.
Всему комплексу требований отвечает низкоуглеродистая сталь с системой легирования на основе марганца, кремния, хрома и микролегирования на основе ниобия. Строгое ограничение содержания углерода позволяет обеспечивать оптимальную микроструктуру, гарантирующую высокую хладостойкость и стойкость к коррозионному растрескиванию в сероводородсодержащих средах (HIC, SSC). В сталь 05ХГБ введен хром для повышения ее стойкости к углекислотной коррозии. Пониженное содержание углерода в стали повышает эффективность добавки хрома.
Проведенные в ООО «ИТ-Сервис» сравнительные испытания на стойкость к углекислотной коррозии образцов труб из стали 13ХФА и 05ХГБ свидетельствуют, что продукты коррозии одинаково представлены карбонатом железа и хромсодержащими соединениями (в основном – Cr(OH)3) (рис. 1). Толщина продуктов коррозии составляет 15 – 32 мкм в обоих случаях.
По сравнению с 09ГСФ и 13ХФА сталь 05ХГБ отличается повышенным, но в то же время ограниченным содержанием марганца. Увеличенное содержание марганца необходимо для повышения технологичности сварки без потери стойкости к водородному растрескиванию. В соответствии с литературными данными (R. Pöpperling), сталь с содержанием углерода 0,06 % может содержать до 1,20 % марганца без ухудшения ее стойкости к растрескиванию. В то же время повышение содержания марганца по сравнению со сталью 13ХФА позволяет обеспечивать стабильный уровень механических свойств при более низком содержании углерода, а также увеличить соотношение /, важное с точки зрения свариваемости, в особенности при сварке ТВЧ (HFW).
Одним из основных микролегирующих элементов стали 13ХФА является ванадий. Данная система микролегирования наиболее эффективно обеспечивает прочность и вязкость стали после проведения термической обработки по режиму «закалка + отпуск». Для обеспечения механических свойств стали 05ХГБ в условиях контролируемой прокатки ванадий заменен на другой карбидообразующий элемент – ниобий. Исследования сварных соединений труб из стали 13ХФА и 05ХГБ, а также выполненный термодинамический анализ свидетельствуют, что при сварке ТВЧ стали 13ХФА образуются более тугоплавкие окислы. Это связано с отличиями в химическом составе стали: в содержании углерода и отношении концентраций марганца и кремния (табл. 2).
Благодаря возможности достижения благоприятного соотношения / в стали 05ХГБ, при сварке ТВЧ образуются более легкоплавкие окислы. В связи с этим возможно увеличение содержания хрома до 1 % без ухудшения качества сварного соединения.
Впервые при разработке химического состава стали учитывались особенности производства электросварных труб сваркой ТВЧ и особенности эксплуатации, в связи с чем пришлось решать ряд принципиальных вопросов производства проката и высококачественной заготовки по схеме производства литейно-прокатного комплекса: в том числе – формирования бездефектной заготовки, снижение ликвации в осевой зоне сляба, получение сверхнизкого содержания серы (менее 0,002 масс. %) и формирования мелкозернистой структуры в готовом прокате. Был разработан и реализован ряд технологических решений: оптимизация состава шлака для прохождения глубокой десульфурации; модифицирование расплава редкоземельными металлами; подбор режимов вторичного охлаждения и мягкого обжатия при разливке; ускоренное охлаждение раската после черновой стадии; ускоренное охлаждение проката на отводящем рольганге перед смоткой в рулон. В результате проведенных мероприятий трубы из данной марки стали наряду с высокой коррозионной стойкостью обладают повышенным ресурсом по хладостойкости (рис. 2). Значительное снижение показателей ударной вязкости наблюдается только при температурах ниже -80 °С. При этом доля вязкой составляющей в изломе находится на уровне 80 – 100 % до – 70 °С. Такие показатели открывают потенциал стали для применения при разработке арктических месторождений.

Оценка коррозионной стойкости

Проблема обеспечения коррозионной стойкости неф­тегазопроводных труб из низколегированных сталей осложняется многообразием механизмов коррозионного разрушения в условиях эксплуатации, а также ограниченностью лабораторных методов оценки, позволяющих прогнозировать данную характеристику. Несмотря на это при разработке новых видов продукции в сегменте нефтегазопроводных труб повышенной коррозионной стойкости необходимо оценивать реальный уровень данного показателя. Программа-минимум в данном случае – сравнение коррозионной стойкости с существующими аналогами, максимум – определение с достаточной точностью наработки на отказ труб (срок безремонтной эксплуатации) для конкретных условий или региона.
Разумеется, невозможно объективно оценить коррозионную стойкость продукции из низколегированной стали при помощи одного определенного метода. По характеру и условиям проведения существующие способы оценки коррозионной стойкости можно разделить на: 1) лабораторные испытания; 2) стендовые испытания в модельных средах; и 3) опытно-промышленные испытания.
При преимуществах и недостатках каждого из них использование комплекса методов дает относительно объективную картину. Разработанная сталь 05ХГБ прошла огромный путь – от лабораторных коррозионных испытаний до опытной эксплуатации действующего трубопровода.

Стендовые испытания

Перспективным направлением считается применение стендовых испытаний в лабораторных установках, имитирующих условия эксплуатации. Принципиальная схема установки, созданной специалистами ГУП «ИПТЭР», в которой испытывались на коррозионную стойкость трубы из стали 05ХГБ в сравнении с аналогами, – на рис. 3.
Моделируя условия эксплуатации трубопроводов и их воздействие на материал, испытания проводили 14 – 30 сут, непрерывно производя контроль фоновой скорости коррозии при помощи метода LPR. При правильном подборе испытательной среды такой экспозиции достаточно для реализации механизмов общей и локальной коррозии. На рис. 4 представлены микрофотографии поверхности образцов после испытаний продолжительностью 14 сут в модельной среде. Видны локальные язвенные повреждения.
Модельные среды разрабатывались на основании анализа эксплуатационных характеристик действующих трубопроводов. Учитывались скорость потока, давление, температура, расход жидкости и компонентный состав смеси коррозионно-активных газов (табл. 4).
Принцип испытаний состоит в том, что подготовленные надлежащим образом образцы сталей устанавливаются в испытательные ячейки модели трубопровода (рис. 3, поз. 1). Буферная емкость (рис. 3, поз. 2) заполняется моделью минерализованной подтоварной воды. На компьютере задаются параметры модели в части обеспечения нужного парциального давления наиболее коррозионно-активных компонентов (H2S и CO2). При необходимости задаются количество растворенного в воде кислорода, а также механических примесей. Скорость жидкости регулируется частотным преобразователем, который воздействует на частоту вращения центробежного насоса и измеряется ультразвуковым расходомером. Температура поддерживается с помощью блока терморегулятора, оснащенного нержавеющим ТЭНом и термодатчиком. Через заданное количество времени образцы извлекаются, и путем замера остаточной массы определяется скорость коррозии в мм/год. Скорость локальной коррозии определяется путем оценки глубины питингов/язв методом двойной фокусировки на оптическом микроскопе.
Преимущество данного метода оценки коррозионной стойкости состоит в возможности прогнозировать эксплуатационную надежность материала в тех или иных условиях. То есть в отличие от натурных испытаний, где кроме подтоварной воды присутствует в различном соотношении нефтяная и газовая фракции, в данном случае агрессивная среда в равной степени воздействует на образцы весь период испытаний. При этом исключаются обстоятельства, связанные с эксплуатацией трубопроводных систем (неоднородность среды, отключение, ингибиторная защита, кислотная обработка и т.д.). С целью определения влияния химического состава стали и состояния поставки на коррозионную стойкость в различных условиях были проведены несколько серий испытаний образцов различного сортамента (табл. 3).
Результаты сериальных коррозионных испытаний в модельных средах (не менее двух повторений по три образца для каждой среды) свидетельствуют, что выбор марки стали очень важен для обеспечения коррозионной стойкости в разных условиях. При этом сталь 05ХГБ по средним показателям общей и локальной коррозии незначительно уступает стали 08ХМФЧА, но превосходит все остальные испытанные марки стали (рис. 5). Наиболее важно то, что образцы из 05ХГБ в различных средах показывали стабильно наиболее низкие скорости коррозии.

Натурные испытания

Несмотря на ряд преимуществ, данные исследования направлены на оценку коррозионной стойкости материала, а не изделия. В этой связи натурные испытания играют неотъемлемую и наиболее важную роль при прогнозировании эксплуатационной надежности нефтегазопроводных труб.

Как правило, применяются два типа испытаний: гравиметрические с использованием образцов-свидетелей и байпасные с применением испытательных катушек (патрубков). При оценке коррозионной стойкости труб из стали 05ХГБ применялись оба типа испытаний.
Наиболее показательны байпасные коррозионные испытания, так как в данном случае можно прогнозировать целесообразность применения изделия, а не только материала. Основной недостаток подобных испытаний заключается в их продолжительности, измеряемой, как правило, годами. В то же время использование определенных подходов позволяет существенно сократить срок экспозиции. В частности, к ним можно отнести:

– выбор объекта для монтажа байпасного стенда с гарантированно высокой фоновой скоростью коррозии;
– предварительный мониторинг фоновой скорости коррозии методами LPR или ER с использованием средств телеметрии;
– мониторинг остаточной толщины стенки испытательных и контрольных катушек с определенной периодичностью, устанавливаемой в зависимости от агрессивности перекачиваемой среды;
– контроль за состоянием объекта (исключение ингибиторной обработки в период проведения испытаний и т.д.).
Использование данного подхода позволяет сократить срок испытаний до 10 – 12 месяцев с получением результатов, достаточных для прогнозирования целесообразности применения продукции в данных условиях.
В настоящее время завершены байпасные коррозионные испытания в двух регионах: в Западной Сибири испытания проводились в условиях двух месторождений АО «Газпром нефть–Ноябрьскнефтегаз», в Республике Коми – в условиях двух месторождений ООО «ЛУКОЙЛ- Коми» (табл. 5).
Проведенные расчеты динамики локальной коррозии, основанные на данных диагностики остаточной толщины стенки, свидетельствуют, что наиболее активен коррозионный процесс в начальной стадии.
Расчет скорости осуществляли по формуле (1):
VTi = VT1 x (Ti – T1)-0,33619459, (1)
где VTi – скорость локальной коррозии в i-й момент времени эксплуатации (мм/год);
VT1 – скорость локальной коррозии в начальный период эксплуатации (мм/год);
Ti – i-й момент времени эксплуатации (сутки);
T1 – начальный момент эксплуатации (сутки).
В обоих из рассмотренных вариантов получено, что скорость локальной коррозии стали 05ХГБ во весь период испытаний ниже, чем сравнительных образцов.

Авторы выражают благодарность коллективам ГУП «ИПТЭР», ООО «ИТ–Сервис», ФГУП «ЦНИИчермет», НИЦ «Термохимия материалов», ООО «Самарский ИТЦ»,
ООО «Сибнефтегаздиагностика», ФГУП «ВНИИК», ООО «ПечорНИПИнефть» и др.
за помощь в проведении исследований.

По итогам проведенного комплекса испытаний, подтвердивших высокие служебные характеристики труб из стали 05ХГБ, данная продукция была одобрена для применения в ряде отечественных нефтегазодобывающих компаний. В настоящее время проводится опытно-промышленная эксплуатация трубопроводов из стали 05ХГБ. Опытная эксплуатация сопровождается авторским надзором со стороны АО «ВМЗ», включая проведение внутритрубной диагностики. Специалистами АО «Выксунский металлургический завод» полностью разработана сквозная технология производства проката и труб из стали 05ХГБ диаметром 159 – 530 мм и толщиной стенки 5 – 12 мм, гарантирующая стабильно высокий уровень показателей качества и надежности.