Стали, используемые в автомобильной промышленности (automotive)

Сталь составляет около 55% массы автомобиля и применяется главным образом для изготовления конструктивных элементов кузова и шасси. За последние несколько десятилетий методы производства стали значительно усовершенствовались, результатом чего стало появление сталей, которые одновременно обладают высокой прочностью и пластичностью, либо хорошей формуемостью в процессе обработки и высокой прочностью после упрочнения при сушке лакокрасочного покрытия. В данной статье рассматриваются стали, используемые в автомобильной промышленности.

Автомобильные стали (Automotive steels) — общий обзор

Классификация конструкционных сталей, используемых в автомобильной промышленности:

• Мягкие высокопластичные стали для глубокой вытяжки: 
  • алюминиево-раскисленные стали Al-killed (англ. Al-killed steel);
  • стали, свободные от атомов внедрения IF (англ. interstitial free)
• Высокопрочные стали для глубокой вытяжки или сталь HSS (англ. High Strength Steel):
  • высокопрочные стали IF-HS
  • стали, упрочняемые при сушке лакокрасочного покрытия BH (англ. baked-hardened)
• Сверхвысокопрочные стали AHSS (англ. Advanced High Strength Steel):
  • двухфазные стали DP (англч. dual phase)
  • стали со сложным фазовым составом CP (англ. complex phase)
• Марганцевые стали AHSS:
  • стали, упрочняемые за счет фазового превращения TRIP (англ. transformation induce plasticity)
  • стали, упрочняемые за счет эффекта двойникования TWIP

Алюминиево-раскисленная сталь

Описание: углерод в этих сталях находится в растворенном состоянии или присутствует в виде карбидов железа, что придает стали высокую пластичность и мягкость. Подвержена старению.

Стандарты: такие стали часто соответствуют требованиям DC01 и DC03.

• Сталь DC01:
  • содержание углерода менее 0,12%; может содержать Ti или B;
  • предел текучести Re: <280 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm: 270–410 МПа;
  • относительное удлинение A: 28%.
• Сталь DC03:
  • содержание углерода менее 0,10%; может содержать Ti или B;
  • предел текучести Re: < 240 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm: 270–370 МПа;
  • относительное удлинение A: 34%.

Особый случай: полностью раскисленная сталь для глубокой вытяжки DQSK (англ. Drawing Quality Special Killed), предъявляющая повышенные требования к качеству.

Сталь, свободная от атомов внедрения (IF)

Другие названия: сталь IF (англ. Interstitial Free), сталь для глубокой вытяжки, сталь SEDDQ (англ. Super Extra Deep Drawing Quality), сталь с ультранизким содержанием углерода, сталь ULC (англ. Ultra Low Carbon).

Описание: углерод и азот связаны в устойчивые фазы и не выделяются в феррит, благодаря чему такая сталь обладает исключительно высокой пластичностью и очень низкой твердостью. Эффективное удаление углерода и азота из феррита требует введения легирующих добавок Al, Ti и Nb. Сталь устойчива к старению.

Типичные свойства:

• Коэффициент r_s: 1,9-2,4
• Временное сопротивление разрыву Rm: 330–390 МПа.

Стандарты: только стали, свободные от атомов внедрения (IF), соответствуют требованиям DC06 и DC07.

• Сталь DC06:
  • содержание углерода менее 0,02%; содержание титана менее 0,3%; титан может быть заменен Nb;
  • предел текучести Re: <170 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm: 270-330 МПа;
  • относительное удлинение A: 41%.
• Сталь DC07:
  • содержание углерода менее 0,01%; содержание титана менее 0,2%; титан может быть заменен Nb;
  • предел текучести Re: <150 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm: 250-310 МПа;
  • относительное удлинение A: 44%.

Высокопрочная сталь IF

Другие названия: сталь IF-HS (англ. interstitial free high strength)

Описание: содержит легирующие добавки титана, ниобия и ванадия, обладает высокой прочностью, одновременно сохраняя пригодность для глубокой вытяжки. Устойчива к старению.

Стандарты: отдельные виды плоского проката по PN-EN 10268:2008.

• HC180Y:
  • xимический состав: C<0,01; Si<0,3; Mn<0,7; P<0,06; Ti<0,12
  • временное сопротивление разрыву Rm > 340 МПа;
  • относительное удлинение A >36%
  • коэффициент старения r: >1,7 
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,19
• HC220Y
  • xимический состав: C<0,1; Si<0,3; Mn<0,9; P<0,08; Ti<0,12
  • временное сопротивление разрыву Rm > 350 МПа;
  • относительное удлинение A> 34%
  • коэффициент старения r: >1,6 
  • wykładnik umocnienia odkształceniowego n: >0,18
• HC260Y
  • xимический состав: C<0,01; Si<0,3; Mn<1,6; P<0,08; Ti<0,12
  • временное сопротивление разрыву Rm > 350 МПа;
  • относительное удлинение A > 34%
  • коэффициент старения r: >1,6 
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,17

Сталь, упрочняемая при отверждении лакокрасочного покрытия (BH)

Другие названия: сталь BH (англ. baked-hardenable)

Применение в автомобильной промышленности: кузов автомобиля.

Описание: в состоянии поставки эти стали являются очень мягкими и пластичными, что позволяет выполнять холодную деформацию. После формования на изделие наносится лакокрасочное покрытие, затем весь элемент помещается в печь для его отверждения. Во время отверждения лакокрасочного покрытия происходит также значительное повышение предела текучести стали (не менее чем на 30 МПа) и незначительное увеличение временного сопротивления разрыву. Отверждение лакокрасочного покрытия осуществляется при температуре 150–250 °C в течение 15–20 минут. Стальные листы, упрочняемые при отверждении лакокрасочного покрытия, могут быть получены путем рекристаллизационного отжига ленты из низкоуглеродистой стали в колпаковой печи или в непрерывном режиме, а также путем непрерывного рекристаллизационного отжига ленты из стали, свободной от атомов внедрения (IF).

Стандарты: отдельные виды плоского проката по PN-EN 10268:2008.

• HC180B:
  • xимический состав: C<0,05; Si<0,7; Mn<0,7; P<0,06;
  • временное сопротивление разрыву Rm > 300 МПа;
  • относительное удлинение A> 34%
  • коэффициент старения r: >1,6 
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,17
• HC220B
  • xимический состав: C<0,06; Si<0,5; Mn<0,7; P<0,08
  • временное сопротивление разрыву Rm > 320 МПа;
  • относительное удлинение A > 33%
  • коэффициент старения r: >1,5 
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,16
• HC260B
  • xимический состав: C<0,08; Si<0,5; Mn<0,7; P<0,1
  • временное сопротивление разрыву Rm > 360 МПа;
  • относительное удлинение A > 29%
• HC300B
  • xимический состав: C<0,1; Si<0,5; Mn<0,7; P<0,12
  • временное сопротивление разрыву Rm > 400 МПа;
  • относительное удлинение A > 26

Двухфазная сталь (DP)

Другие названия: сталь DP (англ. Dual Phase), двухфазная сталь (Dual steel).

Применение в автомобильной промышленности: рамы, лонжероны, стойки кузова, каркасы сидений, балки бокового усиления, критически важные элементы безопасности.

Описание: это многофазные стали, микроструктура которых состоит главным образом из ферритной матрицы и мартенсита. Они упрочняются на стадии подготовки материала. Обработка этих сталей производится при температуре, близкой к критической, при которой обе фазы существуют одновременно. Низкое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость этих сталей. В автомобильной промышленности они позволяют снизить массу конструкции примерно на 50% при сохранении той же прочности деталей. Кроме того, они обладают хорошей формуемостью, высокой коррозионной стойкостью и способны поглощать значительное количество энергии.

Стандарты: отдельные виды плоского проката по PN-EN 10336:2007 (C — холодная прокатка, D — горячая прокатка):

• HCT450X:
  • xимический состав: C<0,14; Si<0,8; Mn<2,0; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • условный предел пластичности R_p0,2 260-340 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm > 450 МПа;
  • относительное удлинение A > 27%
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,16
  • показатель упрочнения при отверждении лакокрасочного покрытия BH₂: >30 МПа.
• HCT500X:
  • xимический состав: C<0,14; Si<0,8; Mn<2,0; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • условный предел пластичности R_p0,2 300-380 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm > 500 МПа;
  • относительное удлинение A > 23%
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,15
  • показатель упрочнения при отверждении лакокрасочного покрытия BH₂: >30 МПа.
• HCT600X:
  • xимический состав: C<0,17; Si<0,8; Mn<2,2; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • условный предел пластичности R_p0,2 340-420 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm > 600 МПа;;
  • относительное удлинение A > 20%
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,14
  • показатель упрочнения при отверждении лакокрасочного покрытия BH₂: >30 МПа.
• HDT580X:
  • xимический состав: C<0,17; Si<0,8; Mn<2,2; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • условный предел пластичности R_p0,2 330-460 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm> 580 МПа;
  • относительное удлинение A> 19%
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,13
  • показатель упрочнения при отверждении лакокрасочного покрытия BH₂: >30 МПа.
• HDT780X:
  • xимический состав: C<0,18; Si<0,8; Mn<2,5; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • условный предел пластичности R_p0,2 450-560 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm> 780 МПа;
  • относительное удлинение A> 14%
  • показатель упрочнения при отверждении лакокрасочного покрытия BH₂: >30 МПа.
• HDT980X:
  • xимический состав: C<0,23; Si<0,8; Mn<2,5; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • условный предел пластичности R_p0,2 600-750 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm> 980 МПа;
  • относительное удлинение A> 10%
  • показатель упрочнения при отверждении лакокрасочного покрытия BH₂: >30 МПа.

Сталь со сложным фазовым составом (CP)

Другие названия: сталь CP (англ. complex phase).

Применение в автомобильной промышленности: дверные балки, усилители, пороги.

Описание: сталь, содержащая верхний и нижний бейнит, мартенсит, а также небольшое количество феррита и аустенита, обладающего меньшей стабильностью, чем в стали TRIP. Лента производится на станах горячей прокатки с регулируемым охлаждением полосы на рольгангах после последнего прохода.

Стандарты: отдельные виды плоского проката по PN-EN 10336:2007:

• HCT600C:
  • xимический состав: C<0,18; Si<0,8; Mn<2,2; P<0,08; S<0,015; Al<2,0; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<0,15; V<0,2
  • условный предел пластичности R_p0,2 350-500 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm> 600 МПа;
  • относительное удлинение A> 16%
• HCT980C:
  • xимический состав: C<0,23; Si<0,8; Mn<2,2; P<0,08; S<0,015; Al<2,0; Cr+Mo<1,2; Nb+Ti<0,15; V<0,22
  • условный предел пластичности R_p0,2 700-900 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm> 980 МПа;
  • относительное удлинение A> 7%

Сталь, упрочняемая фазовым превращением (TRIP)

Другие названия: сталь TRIP (англ. Transformation Induced Plasticity), сталь с остаточным аустенитом, сталь с повышенной пластичностью за счет фазового превращения.

Применение в автомобильной промышленности: пороги, усилители дверей, стойки кузова, зоны контролируемой деформации (зоны программируемого смятия).

Описание: сталь с очень высокой прочностью и хорошими пластическими свойствами. Характерной особенностью является то, что при механической деформации в материале происходят фазовые превращения. Это позволяет поглощать значительное количество энергии, поскольку металл преобразует энергию удара в упрочнение стали.

Стандарты: отдельные виды плоского проката по PN-EN 10336:2007:

• HCT690T:
  • xимический состав: C<0,32; Si<2,2; Mn<2,5; P<0,12; Cr+Mo<0,6; Nb+Ti<0,2
  • условный предел пластичности R_p0,2 430-550 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm> 690 МПа;
  • относительное удлинение A> 23%
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,18
  • показатель упрочнения при отверждении лакокрасочного покрытия BH₂: >40 МПа.
• HCT500X:
  • xимический состав: C<0,32; Si<2,2; Mn<2,5; P<0,12; Cr+Mo<0,6; Nb+Ti<0,2
  • условный предел пластичности R_p0,2 470-600 МПа;
  • временное сопротивление разрыву Rm> 780 МПа;
  • относительное удлинение A> 21%
  • показатель деформационного упрочнения n: >0,16
  • показатель упрочнения при отверждении лакокрасочного покрытия BH₂: >40 МПа.

Сталь, упрочняемая эффектом двойникования (TWIP)

Другие названия: сталь TWIP (англ. Twinning Induced Plasticity).

Применение в автомобильной промышленности: дверные балки, усилители дверей, балки бамперов.

Описание: современные высокопрочные стали. Аналогично сталям TRIP, ударное воздействие вызывает упрочнение материала, благодаря чему эти стали одновременно обладают высокой прочностью и высокой пластичностью.

Библиография

Prof. dr hab. inż. Marek Blicharski, Inżynieria materiałowa. Stal, WNT, 2017, ISBN 978-83-01-18955-6.

Ewa Kubińska-Jabcoń, Mariusz Niekurzak, Wykorzystanie nowoczesnych materiałów stosowanych w motoryzacji w celu poprawy jakości i bezpieczeństwa użytkowania pojazdów mechanicznych, 2019.