Материал: Современное состояние вопроса по производству и термической обработке холоднокатаного листового проката

Современное состояние вопроса по производству и термической обработке холоднокатаного листового проката

Введение

Автомобилестроение является одним из крупнейших потребителей конструкционных материалов в мире. При этом рост требований к ресурсам формирует конкуренцию между производителями различных материалов, стимулирует прогресс в разработке их новых видов и повышение качества.

Несмотря на увеличение использования в автомобилестроении новых конструкционных материалов, ведущую роль в производстве продолжает играть стальной прокат. Так, в среднем, на российский легковой автомобиль расходуется 75% готового проката, метизов и стальных труб, а 25% составляют литейный чугун, цветные металлы, пластмасса, резина, стекло и прочие материалы. Уступая пластмассам и легким металлам по удельному весу, стальные изделия обеспечивают более высокую прочность и, соответственно, надежность и безопасность.

Во времена СССР потребление стали в отрасли было гораздо выше при сравнимых объемах выпуска автомобилей из-за использования более ресурсоемких технологий. Так, в 1990 г. при объеме производства автомобилей на уровне 1,82 млн. ед. потребление всех видов проката черных металлов составляло 3,64 млн. т, а в 2008 г., при близком объеме производства автомобилей(1,8 млн. ед.), их потребление достигло лишь 2,5 млн. т.

Требования автомобилестроителей к качеству стали являются составным элементом общих требований к современному автомобилю. С течением времени они претерпевают определенные изменения. Прежде всего, это связано с ростом требований к весу автомобиля: чем он меньше, тем экономичнее расходуется горючее, снижается нагрузка на окружающую среду, и появляется возможность добавлять больше опций и оборудования. Второе направление - повышение норм безопасности, выполнение которых требует максимального упрочнения силового каркаса кузова для защиты людей и деформируемости внешних элементов для поглощения удара.

Третьим направлением является стоимость производства, последующего обслуживания и утилизации. Именно этот фактор обеспечивает сохранение лидирующих позиций стали в сравнении с другими материалами, поскольку сталь подвержена многократномурециклингу: старые транспортные средства можно утилизировать, и уже бывшую в эксплуатации сталь использовать для производства нового автомобиля.

Таким образом, автомобильная промышленность предъявляет к стали очень высокие требования, поскольку в первую очередь она должна удовлетворять двум диаметрально противоположным критериям. С одной стороны, требование по снижению массы изделий предполагает использование высокопрочных материалов, с другой - рост требований по технологичности производства - применение высокопластичных материалов.

В зависимости от соотношения показателей прочности и пластичности (штампуемости), в настоящее время выделяют три основных класса холоднокатаных сталей для автопрома.

Во-первых, это мягкие стали (Mildsteels), практически не отличающиеся по маркам от тех, что были освоены и выпускались еще во времена СССР, лишь с более жесткими требованиями к химическому составу, и так называемые стали IF (особенно низкоуглеродистые - стали свободные от атомов внедрения) и IS (изотропные). Они легко штампуются и применяются для изготовления внешних панелей. Категория мягких сталей до сих пор является наиболее распространенной для российской автомобильной промышленности. Мягкие стали используются в дверях, капоте, крыше, где требуется металл очень глубокой вытяжки. Основной недостаток обычных низкоуглеродистых сталей - пониженные показатели прочности: при аварии автомобиль, выполненный из таких сталей, очень сильно деформируется, вероятность получить травмы человеку высока.

Во-вторых, это высокопрочные стали (High-strengthsteels, HSS). Прочность в них достигается не за счет иного химического состава, а в результате изменений кристаллической решетки металла (фазовых превращений), которые происходят в результате более сложной технологической обработки. В российских автомобилях стали повышенной категории прочности используются в основном для деталей силового каркаса машины, поскольку они должны выдерживать повышенные нагрузки.

С начала XXI века все большее применение в автомобиле находят так называемые особо высокопрочные стали (Advanced-high-strengthsteel, AHSS). В отличие от высокопрочных сталей, прочность и штампуемость в этом классе достигается наличием двух и более типов кристаллов (фаз) разной твердости. Достигается это еще более сложной механической и температурной обработкой - термомеханической обработкой.

В последнее время выделяют еще и четвертый класс - ультравысокопрочные стали (Ultra-high-strengthsteels, UHSS). К нему относят стали нового поколения, которые по сравнению с первыми тремя классами обладают большей прочностью при значительно лучшей штампуемости. Основным механизмом упрочнения прочных, высоко- и ультра высокопрочных сталей является контролируемая прокатка с формированием мелкодисперсной феррито-бейнитной структуры с микролегированием ванадием, ниобием для дисперсионного твердения [1].

Большой спрос и высокие требования к автолисту обусловливают применение технологий, обеспечивающих выполнение этих требований. Прогресс в общей технологии производства автомобильного листа за последние годы в основном сводится к переходу от периодически действующих агрегатов к агрегатам непрерывного действия. В настоящее время травят горячекатаные полосы на непрерывных травильных агрегатах (НТА), где совмещены процессы дробления окалины, ее растворения в травильных растворах, мойки и нейтрализации, сушки и промасливания. Прокатные станы горячей и холодной прокатки представляют собой линии из последовательно и непрерывно установленных прокатных клетей, через валки которых движется в нагретом состоянии или при температуре окружающей среды полосовая сталь. В последнее время при производстве холоднокатаного листа применяют бесконечные процессы за счет стыкосварки соседних рулонов. Совмещают также операции на непрерывных линиях очистки холоднокатаной полосы перед термической ее обработкой или нанесении поверхностных покрытий.

Только одну технологическую операцию - термическую обработку холоднокатаных рулонов - все еще преимущественно осуществляют в колпаковых печах периодического действия, которые представляют собой камеры с одностопной или многостопной установкой рулонов, работающие в защитной атмосфере. Несмотря на все усовершенствования колпаковых печей, их недостатки, связанные с периодичностью процесса термической обработки, препятствуют прогрессу всей технологии в целом.

Установка агрегата непрерывного отжига позволяет решать проблемы периодичности и качества рекристаллизационного отжига металла в колпаковых печей и прогрессивно улучшить технологию производства холоднокатаной полосы из стали 08Ю [2].

1       Современное состояние вопроса по производству и термической обработки холоднокатаного листового проката

1.1    Назначение холоднокатаного листа из стали 08Ю и его структура в деформированном состоянии

Сталь 08Ю применяется для производства листового проката толщиной 0,4-8 мм 4 категории, предназначенного для производства деталей, изготовляемых методом холодной штамповкой; электросварных труб, предназначенных для изготовления бытовых и промышленных трубчатых электронагревателей (ТЭН) и других изделий машиностроения; свернутых паяных двухслойных труб для трубопроводов гидравлических систем комбайнов, тракторов, автомобилей, бытовых холодильников и т.д.; холоднокатаной ленты толщиной 0,5-4,00 мм, предназначенной для гибки, штамповки деталей, изготовления труб, порошковой проволоки, деталей подшипников и других металлических изделий.

Согласно ГОСТ 9045-93 в зависимости от способности к вытяжке, толщины проката и физико-механических свойства прокат подразделяется на категории: 1, 2, 3, 4, 5.

категория - это сталь со способностью к вытяжке СВ (сложная вытяжка), ВГ (весьма глубокая) при толщине проката до 2,0 мм. Нормируемыми характеристиками данной группы является глубина сферической лунки.

категория - это сталь со способностью к вытяжке СВ (сложная вытяжка), ВГ (весьма глубокая), ОСВ (особо сложная вытяжка) при толщине проката до 3,9 мм. Нормируемыми характеристиками данной группы является временное сопротивление и относительное удлинение.

категория - это сталь со способностью к вытяжке СВ (сложная вытяжка), ВГ (весьма глубокая), ОСВ (особо сложная вытяжка) при толщине проката до 2,0 мм. Нормируемыми характеристиками данной группы является временное сопротивление, относительное удлинение и глубина сферической лунки.

категория - это сталь со способностью к вытяжке СВ (сложная вытяжка), ОСВ (особо сложная вытяжка), ВОСВ (весьма особо сложная вытяжка), ВОСВ-Т (весьма особо сложная вытяжка с утончением стенки) при толщине проката до 2,0 мм. Нормируемыми характеристиками данной группы является предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение и глубина сферической лунки.

категория - это сталь со способностью к вытяжке СВ (сложная вытяжка), ОСВ (особо сложная вытяжка), ВОСВ (весьма особо сложная вытяжка), ВОСВ-Т (весьма особо сложная вытяжка с утончением стенки) при толщине проката до 2,0 мм. Нормируемыми характеристиками данной группы является предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, твердость и глубина сферической лунки приведенный в таблицах 1.1, 1.2, 1.3.

Таблица 1.1 - Механические свойства проката в отожженном состоянии

Способность к вытяжке    Предел текучести σт, Н/мм2

Таблица 1.2 - Требования к механическим свойствам тонколистовой углеродистой стали, продеформированной в холодном состоянии, после отжига

Примечания:

. Минимальный предел прочности на растяжение должен обычно составлять 270 Н/мм2. Все значения предела точности на растяжение округляют с точностью до ближайших 10 Н/мм2.

. Для материала толщиной до 0,6 мм включительно значения удлинения, приведенные в таблице, должны быть уменьшены на 1 %.

Таблица 1.3 - Глубина сферической лунки

Все нормируемые параметры определяются согласно толщине проката, способности к вытяжке или совокупно [3].

Сталь марки 08Ю является нестареющей. Процесс деформационного старения характеризуется изменением свойств материала без заметного изменения микроструктуры. Такие процессы протекают, главным образом в низкоуглеродистых сталях. Ответственными за деформационное старение являются находящиеся в твердом растворе атомы внедрения. Атомам азота принадлежит главная роль в инициировании склонности к деформационному старению. Причиной этого является большая растворимость и диффузионная подвижность атомов азота в α-железе по сравнению с углеродом. Алюминий, связывая азот в нитрид, выводит его из твердого раствора, тем самым снижает степень искажения кристаллической решетки феррита и исключает формирования скоплений азота вокруг дислокаций, обеспечивая тем самым условия для не состаривания такой стали.

Нестареющие стали характеризуются минимально возможным содержанием всех примесей (C, N, Mn, Si, Cr, Ni, S, P и др.), низкой твердостью и прочностью, высоким относительным и равномерным удлинением, большой вытяжкой, холоднокатаный лист из них должен иметь высокое качество поверхности и не быть склонным к деформационному старению.

Для того чтобы сделать сталь нестареющей, необходимо атомы внедрения, а преимущественно азот вывести из твердого раствора, связав его нитридообразующими элементами. В качестве нитридообразующих элементов на практике чаще всего используют алюминий. Так же стоит отметить благоприятное влияние алюминия на штампуемость стали.

Алюминий обеспечивает получение равномерной структуры (так называемой - чечевицеобразной), т. е. создает условия, обеспечивающие получение металла, пригодного для глубокой штамповки [4].

Кроме связывания атомов азота в нитриды алюминия, во избежание деформационного старения, легирование алюминием благоприятно сказывается на коррозионной стойкости. Это связанно с тем, что соединение активного и пассивного металлов приводит к пассивации активного, как следствие получившийся сплав отличается устойчивостью к воздействию агрессивных сред. Принимая данный факт во внимание нельзя не отметить его положительного влияния на эксплуатационные свойства, не забывая о специфике производства и применения данных сталей.

При холодной прокатке стали с увеличением степени деформации повышаются все характеристики прочности: предел текучести, предел прочности, твердость. Прочность особенно возрастает на начальных стадиях деформации (до 20-30%), при дальнейшем повышении степени деформации интенсивность упрочнения уменьшается. При холодной прокатке происходят межзеренные и внутризеренные разрушения, появляются микроскопические трещины, которые с ростом степени деформации увеличиваются, что приводит к понижению пластичности металла. Наибольшее снижение пластичности происходит на начальных стадиях холодной деформации, т. е. когда резко возрастает упрочнение. По мере роста деформации (до 50-70%) металл становится очень прочным и хрупким. Механические свойства после холодной прокатки приведены в таблице 1.4.