Когда мы задумываемся о пассивной безопасности пассажиров в современном автомобиле, мы представляем ремень с преднатяжителем, подушки и шторки безопасности, мало кто назовёт кузов автомобиля, а точнее его конструкцию. Именно кузов автомобиля должен обеспечить защиту пассажиров при аварии, принять на себя весь удар и оставить цельным жизненное пространство экипажа.
До 40-х годов кузов (рама) в первую очередь считался только носителем агрегатов и узлов, а жёсткость кузова способствовала сохранению автомобиля и только позже 50-х годов прошлого века, когда скорость автомобилей значительно выросла, конструкторы задумались о безопасности пассажиров. Исследователи предложили новую концепцию построения автомобиля, где кузов разделили на несколько зон, сминаемые передняя и задняя части и капсула безопасности центральная, салон пассажиров. При аварии первые деформировались, поглощая энергию удара, что позволяет снижать перегрузки, которые могут испытать пассажиры, а заодно и избежать травмы связанные с деформацией салона.
Со временем, опираясь на анализ многочисленных краш-тестов, конструкторы серьёзно изменили конструкции зон безопасности и сминаемые участки, начали исследовать и применять новые материалы, комбинировать различные свойства стали в одной детали. Широкое применение нашли сверхвысокопрочные, высокопрочные и обычные стали, алюминий и композитные материалы.
Всё чаще конструкторы автомобилей применяют высокопрочные стали, которые в несколько раз прочнее обычного проката, их доля
доходит до 20-35 %.
СТАЛЬ
Рассматривая кузова современных автомобилей можно изучать металловедение. В новых автомобилях всё больше деталей из высокопрочной, ультравысокопрочной стали горячей штамповки, специального проката, алюминия с различным содержанием кремния или магния. Комбинации свойств металлов позволяют увеличивать прочность одних элементов или придавать запрограммированную сминаемость других.
Очень редко, технологии производства, возможно, применить в условиях ремонта
Улучшая структуру кузова, и увеличивая безопасность пассажиров, конструкторы задают новые задачи не только производителям автомобилей, но и многочисленным кузовным мастерским, в которые автомобили стремятся попасть после различных ДТП, для приобретения первозданной формы и внешности. В первую очередь, высокопрочные стали очень трудно править, резать и варить, порой для этого требуется специальный инструмент, имеющий не менее высокопрочные свойства, не отстающие от новых реалий. Со сваркой всё сложнее, технология производства специальных сталей не допускают перегрева деталей, что провоцирует перекос изделия или полное исчезновения первоначальных свойств. Производители автомобилей пошли разными путями, рекомендуя в ремонте использовать технологии и методы, используемые при производстве.
Сварка - пайка
Так большинство японских концернов используют метод полуавтоматической сварки пайки высокопрочной стали при низких темперах плавления проволоки медно-цинкового сплава. Для примера, сварка стальной проволокой в среде защитного газа СО2 проходит при температуре 1500-1600 градусов Цельсия, что полностью уничтожает все свойства особой стали. Сварка пайка производится при температурах ниже 900 градусов Цельсия, находясь в пределах от 860 до 890 градусов, при этом сварной шов такой находится в пределах прочности обычной сварки, а цинк, входящий в состав проволоки, соединяется с оцинковкой кузова, защищая сталь и сварной шов, от коррозии.
Контактная сварка клещами
Стандартом соединения деталей кузова автомобиля всегда считалась контактная сварка, по точкам которой, знающие автолюбители могли объявить, был ли автомобиль в аварии и какие детали были заменены. Но с применением новых сталей и способы контактной сварки изменились. Если совсем недавно, для сварки деталей хватало обычного трансформаторного аппарата контактной сварки до 5-6 тыс. ампер, то теперь условия диктуют новые правила. Аппарат контактной сварки обязан иметь клещи с пневматическим приводом, развивающие определённое усилие, ток сварки не менее 11-13 тысяч, специальный, определённого сечения кабель, с минимальным сопротивлением и с принудительным охлаждением жидкостью. Только в этом случае возможно соединение деталей современных кузовов из высокопрочной стали.
АЛЮМИНИЙ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Весной 1991 г. фирма Honda поставила на немецкий рынок партию легковых автомобилей Honda NSX с цельно алюминиевыми кузовами. Впрочем, тогда раскупили не так уж много машин, поскольку речь шла о спортивных моделях с кузовом купе. Тем не менее, появление серийных легковых автомобилей с алюминиевым кузовом свидетельствовало о наступлении новой эры в автомобилестроении.
В качестве примеров цельноалюминиевых автомобилей приведем Audi A8 и Jaguar XK. Заманчиво получить, как в случае с A8, автомобиль представительского класса весом, равным весу Audi A6 - седану классом ниже. Но создание кузова из алюминия сродни постройке самолета. Проблем тут гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд. Алюминиевые сплавы плохо штампуются, свариваются только в среде инертного газа и гораздо лучше стальных аналогов передают вибрации. Для их скрепления в одном и том же автомобиле могут быть применены аргоновая сварка, клепка, склейка и даже болтовые соединения. Помимо этого помятое в результате ДТП алюминиевое крыло, часто, невозможно отрихтовать, а покраска легкосплавных деталей имеет массу технологических нюансов. В отличие от стальных конструкций в алюминиевых кузовах применяются не только листы, но и всевозможные профили (прямоугольные трубы, уголки), а также широкий ассортимент специальных литых деталей.
Первым в серийном производстве кузова стал применять алюминий концерн Audi>. Кузова его моделей A8, а затем и A2 сделаны полностью из алюминиевых сплавов
Алюминиевый кузов AUDIA8, созданный по технологии Audi Space Frame (ASF), весит всего 231 кг. Детали соединяют 1847 заклепок, 632 винта, 202 точки сварки, 25 метров швов газовой и 6 метров лазерной сварки, а также 44 метра клееных соединений.
Клепальные системы
В производстве автомобилей всё больше применяются высокопрочные стали, алюминий, магний, композиционные материалы.
Чтобы добиться определенных параметров, многие конструкторы проектируют кузова, сочетающие детали из разных материалов. Это позволяет использовать их положительные качества и обходить присущие им недостатки. Примером такой гибридной конструкции может быть кузов автомобиля Mercedes-Benz CL, при изготовлении которого применяется сталь, алюминий, магний и пластик. Сталь идет на каркас моторного отсека и днище багажного отделения, а также на отдельные элементы каркаса. Из алюминия изготавливают ряд наружных панелей и деталей каркаса. Из магниевого сплава делают каркас дверей. Передние крылья, крышка багажника выполняются из пластика. Как вариант возможна конструкция кузова, в которой каркас изготовлен из стали и алюминия.
Технологии сварки металлов с различными электрохимическими свойствами, в данном случае - стали и алюминия. Компания Honda Motor утверждает, что ей удалось добиться прочного соединения этих двух металлов, благодаря особому механизму сварки. Он подразумевает своеобразное «вкручивание» стальной части детали в алюминиевую часть под давлением. Это лишь общее описание принципа - исчерпывающих деталей компания не приводит. Итак, сталь и алюминий не свариваются между собой, тем более в условиях ремонта, мало того, металлы соединяют между собой только при наличии специальной изоляции, преимущественно при помощи заклёпок и резьбовых соединений. Если в непосредственный контакт с алюминием входит какой-либо другой металл, вследствие разных электрических потенциалов, между ними возникает гальваническая пара, что приводит к коррозии алюминия. Для соединения стали и алюминия используются специальные клеи, предотвращающие химическое разрушение материала.
XPress 800 - клепальное пневмогидравлическое устройство, с мощностью до 50кН, для заклепывания и расклепывания: самопроникающих заклепок, заклёпок FFR, вытяжных заклёпок, вытяжных заклепочных гаек и штамповки
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.
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.
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.
Самый большой, самый дорогой и самый ответственный узел легкового автомобиля - его кузов. Он определяет не только основные потребительские свойства (скорость, комфорт, эстетическое восприятие автомобиля в целом и т. д.), но и безопасность водителя и пассажиров. Поэтому требования к кузову неуклонно повышаются.
Кузов первых моделей ВАЗ, так называемой "классической" компоновки, соответствовал требованиям своего времени и представлял собой конструкцию, которая состояла из нескольких крупногабаритных деталей (крыша, капот, панели пола, щиток передка) и большого числа сварных узлов, включающих относительно простые мелкие детали. Конструкция определяла и требования к материалам, и технологиям штамповки и сварки.
Так, основную массу деталей выполняли из холоднокатаного проката стали 08Ю категорий вытяжки СВ, ОСВ, а наиболее простые детали - из сталей 08кп и 08пс категории вытяжки ВГ. Прокат первой группы отделки поверхности, соответствующий категориям вытяжки ОСВ и ВОСВ для лицевых деталей кузова, закупали главным образом за рубежом.
Комплекс сварки кузовов классических моделей (ВАЗ-2101 - ВАЗ-2107) состоял из поточных линий на базе многоточечных сварочных машин и стендов ручной сварки. То есть оборудования, предназначенного для сварки непокрытых сталей. Оно отличалось высокой производительностью, относительной компактностью, надежностью в эксплуатации, хорошей ремонтопригодностью и в то же время - недостаточной гибкостью, что не способствовало изменению конструкции деталей в процессе модернизации автомобиля или смены модельного ряда, имело ограничения по сварке деталей из оцинкованных сталей. В частности, в последнем случае существенно снижало свою производительность из-за необходимости остановок для проведения периодической ручной зачистки электродов контактных машин.
К моменту постановки на производство семейства автомобилей ВАЗ-2108 требования к кузову изменились. Соответственно другими стали и подходы к его проектированию. Например, кузов ВАЗ-2108, в отличие от кузова ВАЗ-2101, не имеет деталей и узлов, устанавливаемых в процессе доварки черного кузова. Он состоит из каркаса и съемных узлов (двери, капот, крылья), а каркас - из пяти основных узлов: пола, правой и левой боковин, рамы ветрового окна и крыши. В результате конструкция стала более технологичной, в ней снизилось число деталей и узлов. К примеру, если кузов автомобиля ВАЗ-21013 состоял из 536 деталей, то кузов ВАЗ-2108 - из 368. Благодаря этому удалось уменьшить и число сборочно-сварочных операций, и число сварочных точек. (К примеру, последних с 7300 до 4300.) При этом доля сварки в автоматических линиях увеличилась с 45 до 96 %. Итог трудоемкость изготовления кузова снизилась с 9,89 до 6,7 нормо-ч, численность рабочих в цехах сварки - на 350 чел.
Автомобили семейства ВАЗ-2108 были первыми среди отечественных АТС, где для повышения коррозионной стойкости кузова стали применять детали из электрооцинкованного проката. Всего таких деталей 16, а их масса составляет ~11 % обшей массы кузова.
Появление нового типа материала серьезно повлияло и на технологию изготовления кузова. Дело в том, что штамповать детали из оцинкованных сталей гораздо сложнее: покрытие существенно влияет на коэффициент трения в зоне контакта заготовки со штампом и, следовательно, на условия течения металла в процессе формовки и вытяжки; поверхностный слой имеет склонность к шелушению и отслоению в условиях пластической деформации металла-основы и контактного воздействия со стороны штампового инструмента, В силу этих особенностей штамповка электрооцинкованного проката требует дополнительных затрат и ужесточения технологической дисциплины. Например, при рубке заготовок, чтобы избежать отслоений покрытия в зоне реза и последующего их переноса с кромок заготовок на зеркало штампа, нужно очень точно выдерживать зазоры в режущем инструменте. Иначе в процессе штамповки, когда контактные давления очень высоки, сдираемые микрочастицы цинка привариваются к поверхности штампа, постепенно коагулируют и накапливаются в виде достаточно крупных металлических наростов, которые травмируют поверхность листа, оставляя на ней дефекты в виде выпуклостей, что совершенно недопустимо для лицевых деталей кузова.
Вторая группа особенностей оцинкованных сталей - их худшая, по сравнению с непокрытым металлом, свариваемость и повышенный износ сварочных электродов. Потому, что цинковое покрытие увеличивает контактные электросопротивления в парах "электрод - деталь" и "деталь - деталь". Следовательно, уменьшает сварочный ток и количество теплоты в зоне свариваемого соединения. Чтобы компенсировать это явление, сварочный ток приходится увеличивать, в зависимости от типа покрытия, на 5-15 %. Но в условиях высоких токов, температур и давления материал электрода начинает активно взаимодействовать с цинком, образуя легкоплавкие эвтектики (латуни). В итоге электрод по микронеровностям очень "охотно" приваривается к поверхности листа, а при размыкании контакта вызывает повышенную эрозию контактной поверхности. При этом масса данного участка поверхности возрастает, значит, снижаются плотность тока в контакте и диаметр ядра сварочной точки. Кроме того, постепенно образующийся слой латуни на контактной поверхности электрода повышает его электрическое сопротивление и соответственно снижает количество теплоты, выделяющейся в сварном соединении, что также уменьшает диаметр ядра сварной точки.
Было очевидно, что решить перечисленные проблемы можно только одним способом - перейти на оборудование, способное автоматически регулировать величины сварочного тока и периодически зачищать рабочую поверхность электродов. Что и сделали: ВАЗ перешел на автоматические линии и посты, оснащенные робототехническими комплексами, созданными в сотрудничестве с фирмами "Сиаки" и "Кука".
Следующим этапом эволюции кузова стали разработка и постановка на производство автомобилей семейства ВАЗ-2110. Данный этап во многом перенял лучшие технические решения, опробованные на семействе ВАЗ-2108. Например, общее число деталей кузова, несмотря на более сложную конструкцию, снизилось, по сравнению с ВАЗ-2108, на 20 шт., а число сварочных точек возросло лишь на 478 (10 %). Однако необходимость обеспечения современных требований экономики заставила улучшать аэродинамику автомобиля и, как следствие, усложнять форму деталей. Что повлекло за собой увеличение объемов применения высокотехнологичных штампуемых сталей, еще большее ужесточение требований к оборудованию и штамповой оснастке. Поэтому под проект пришлось закупить и смонтировать пять новых автоматических вырубных и штамповочных линий, в том числе уникальный для России шестипозиционный пресс-автомат усилием 32 тыс. кН с гидравлической маркетной подушкой на первой позиции, выпускаемый немецкой фирмой "Эрфурт" и предназначенный для штамповки крупногабаритных деталей. Кроме того, под техническим руководством ВАЗа отечественными металлургическими комбинатами ОАО "НЛМК" (Липецк), "Северсталь" (Череповец), "ММК" (Магнитогорск), "АО ЛМЗ" (Лысьва) совместно с ЦНИИЧМ имени Бардина (Москва) было освоено производство современных автолистовых сталей, в том числе с цинковыми покрытиями, что позволило полностью обеспечить нынешнюю потребность отечественной автомобильной промышленности в качественном металлопрокате. В том числе практически всю потребность ВАЗа в холоднокатаном листе первой группы отделки поверхности (-155 тыс. т в год, из них 41 тыс. т - оцинкованный прокат), в горячеоцинкованной (-9 тыс. т в год) и электрооцинкованной (-76 тыс. т в год) сталях.
В настоящее время с целью повышения качества штампуемых деталей проводятся работы с металлургическими комбинатами по использованию нового поколения консервационно-технологических смазок для листового проката, внедрению специальных моечных машин для особо ответственных лицевых деталей кузова. Нарабатываются мероприятия по исключению попадания дополнительных загрязнений на поверхность проката в процессах переработки (резка заготовок, хранение, транспортировка и штамповка).
Объем применения оцинкованных сталей в кузове ВАЗ-2110 достиг 52 %его массы. Что в сочетании с дополнительной обработкой опасных зон специальными защитными составами и высококачественным лакокрасочным покрытием гарантирует защиту его деталей от сквозной коррозии на срок до шести лет. Однако рост числа деталей, выполняемых из оцинкованных сталей, еще более обострил проблему обеспечения качества штамповки. В частности, чтобы уменьшить налипание цинка, необходима дополнительная операция ручной периодической очистки зеркала штампа. Что, безусловно, сказывается на трудоемкости изготовления деталей и производительности оборудования. Поэтому ВАЗ проводит подготовительные работы по закупке лицензии и освоению технологии хромирования формообразующих поверхностей штампов, которое, как известно, позволяет решить проблему на современном уровне.
Широкое применение оцинкованных сталей потребовало принятия новых решений и в отношении всего сварочного комплекса, в том числе значительного усложнения, как механики, так и систем управления сварочных линий: теперь общее число используемых сварочных роботов достигло 220 шт. В состав автоматических линий, кроме традиционных постов сварки, вошли посты промазки кузова мастиками перед сваркой и нанесения высокопрочного клея на стыке капота перед его зафланцовкой. В линиях сварки впервые в нашей стране в больших (~50 шт./кузов) объемах применена полуавтоматическая и автоматическая дугоконтактная приварка болтов, заменившая собой традиционную рельефную сварку, требующую пробивки отверстий в листовой детали.
Автомобиль ВАЗ-1118 - очередной шаг на пути повышения безопасности и коррозионной стойкости кузова. И хотя объем применения оцинкованных сталей здесь остался на уровне кузова автомобиля ВАЗ-2110, существенно изменилась структура этого объема: значительно увеличилась доля горячеоцинкованного проката, а доля электрооцинкованного, наоборот, снизилась, что позволило существенно увеличить поверхность деталей, защищенных цинковым покрытием. Так, если у кузова ВАЗ-2110 оцинкованная поверхность составляла 29 %, то у ВАЗ-2118 - уже 52 %.
Переход на горячеоцинкованный прокат выгоден и в экономическом отношении: технологическая себестоимость изготовления данного проката на 10-15 % ниже, чем проката электрооцинкованного. Кроме того, он более технологичен с точки зрения штамповки. Во-первых, в качестве его основы используются высокопластичные стали со сверхнизким содержанием углерода (IF-стали); во-вторых, покрытие из более мягкого металла оказывает то же влияние, что и твердая смазка, т. е. в определенной степени облегчает процесс штамповки, улучшая условия течения металла.
Проблема обеспечения свариваемости горячеоцинкованного проката решается за счет использования сварочных роботов с современными системами управления циклом сварки и автоматической зачисткой электродов. Для снижения затрат на электродные материалы применяются электроды колпачкового типа с внутренним посадочным конусом.
Вторая особенность кузова ВАЗ-1118 - более широкое, чем на ВАЗ-2110, применение низколегированных и двухфазных (ферритно-мартенситных) сталей повышенной прочности, освоенных отечественной металлургической промышленностью (НЛМК и ЧерМК). Такой переход, во-первых, увеличивает прочность и уровень пассивной безопасности кузова, во-вторых, снижает его материалоемкость (собственную массу) и положительно сказывается на динамических характеристиках, топливной экономичности и других потребительских свойствах автомобиля.
Правда, данные стали, обладают несколько меньшей, чем традиционные, пластичностью и, как следствие, ограниченными возможностями по вытяжке, повышенным пружинением, развивают большую нагрузку на штамповую оснастку и т. д. Все это учитывалось при разработке как конструкции кузова автомобиля ВАЗ-2118, так и технологии его изготовления. Например, основу технологии составляют робототехнические комплексы, изначально рассчитанные на значительное увеличение объемов применения именно горячеоцинкованной стали. Причем число роботов возросло до 360, т. е., по сравнению с комплексом сварки автомобиля ВАЗ-2110, на 64 %. При этом существенно изменился подход к построению самих автоматических линий. Роботы нового поколения грузоподъемностью 150/200/300 кг позволили перейти к технологической схеме так называемого "сада роботов", где автоматы не только выполняют операции сварки, но и манипулируют узлами в процессе доварки кузова на стационарных клещах, а также передают его с поста на пост. Что дало возможность отказаться от сложных традиционных линейных транспортеров, существенно повысить технологическую гибкость оборудования при последующих модернизациях автомобилей. А главное - применять современные специализированные пакеты компьютерного моделирования для оптимизации пропускной способности линий и емкости накопителей, проектирования, изготовления и аттестации всей технологической оснастки сварочных линий, используя математические модели деталей кузова. В конечном итоге - обеспечить собираемость кузовов и оптимальную геометрию кузова. Причем оптимизация сборочно-сварочных операций, оценка технологичности конструкции кузова на предмет доступа сварочных клещей к месту сварки выполняются еще на этапе проектирования сварочной оснастки, что значительно снижает затраты и сокращает сроки подготовки производства.