Инновационную сталь для автомобильной отрасли отличает повышенная прочность и

Обновлено: 08.05.2024

На протяжении десятилетий в сталелитейной промышленности мира постоянно идет работа над новым классом материалов, которые на 50 % прочнее своих предшественников. В основе этой инновации лежит семейство постоянно совершенствуемых высокопрочных сталей — AHSS (Advanced High Strength Steels). Ни один другой материал, используемый в автомобилестроении, не сравнится по многовариантности прочностных характеристик с данной сталью. Это означает, что стальной лист можно сделать тоньше, но при этом деталь из него сохранит необходимые для конструкции автомобиля безопасность и прочность.

Уменьшение толщины листового проката, предназначенного для производства автомобильных компонентов, позволяет экономить сталь и, следовательно, облегчать компоненты, что способствует снижению веса автомобиля в целом и сокращению выбросов в окружающую среду.

Эти свойства сталей марок AHSS являются результатом их уникального сочетания прочности и пластичности. AHSS — это сложные сплавы с тщательно подобранным химическим составом и многофазной микроструктурой, полученные в результате точно контролируемых процессов нагрева и охлаждения.

Различные методы упрочнения используются для достижения необходимого и достаточного диапазона прочности, пластичности, ударной вязкости и усталостных свойств.

Семейство AHSS включает в себя двухфазные стали (DP), многофазные стали (CP), феррито-бейнитные стали (FB), мартенситные стали (MS), стали с пластичностью, наведенной превращением (TRIP), горячештамповочные и закаленные стали (HF), а также стали повышенной пластичности, инициируемые двойникованием (TWIP).

AHSS — стали с пределом прочности от 500 до 2000 МПа, которые предназначены для замены стандартных сталей и в основном используются для изготовления конструкционных элементов автомобиля. Это позволяет производителям выдерживать международные нормы по безопасности автомобиля при существенном снижении его веса — как для снижения энергопотребления, так и для уменьшения количества выбросов, загрязняющих окружающую среду.

В настоящее время идет работа над сплавами 3‑го поколения AHSS. Это стали со специальными условиями легирования и термомеханической обработки, у которых улучшено соотношение прочностных и пластических свойств по сравнению с уже известными сплавами. Кроме того, использование этих сталей в автомобилестроении позволяет снизить стоимость изготавливаемых из них деталей транспортных средств.

Например, стали DP и TRIP, благодаря их способности поглощать энергию, отлично подходят для производства элементов, которые могут деформироваться при столкновении автомобиля.

Для конструктивных элементов салона используются особо высокопрочные стали, такие как мартенситная и борсодержащая упрочненная сталь (PHS), которая обеспечивает повышенные показатели безопасности.

В США программа, спонсируемая Министерством энергетики, способствовала разработке марок стали с пределом прочности 1200 МПа и трехкратным повышением пластичности. Широкий спектр свойств инновационных сталей лучше всего иллюстрирует знаменитая диаграмма прочности и пластичности стали, представленная на рис. 1.

Ожидается, что данные марки сталей позволят создавать еще более легкие, но, в то же время, более прочные конструкции, тем самым еще больше снижая углеродный след автомобиля.

Высокая прочность, пригодность для вторичного использования и гибкость дают преимущества стали как материалу, наиболее подходящему для следующего поколения автомобилей. К числу таких преимуществ относится соответствие требованиям к массе автомобиля, к безопасности эксплуатации и к улучшению экологической ситуации в мире. И всё это при небольших дополнительных затратах или даже без них.

Разработчики конструкции автомобиля должны учитывать многочисленные и сложные условия нагрузки, жизненно важные для управляемости автомобиля, а также экстремальные требования к прочности. Есть множество примеров, когда автопроизводители использовали AHSS для достижения более высокой прочности и надежности автомобилей. Вот краткое описание некоторых из них.

В Jeep Compass 2017 года было реализовано инженерное решение «каркас безопасности», который более чем на 65 % состоял из высокопрочной стали (AHSS).

В 2016 году автомобиль Шевроле Malibu был представлен с более прочным, но при этом более легким кузовом, что повысило его эффективность и динамику вождения. Более широкое использование высокопрочных сталей позволило инженерам разработать конструкцию кузова, в котором некоторые элементы были выполнены из более тонкой стали, что, тем не менее, обеспечило сопоставимые с более тяжелыми моделями свойства. Например, такие как поглощение энергии при столкновении.

В конструкции Kia Forte 2019 года после редизайна 54 % компонентов выполнено из усовершенствованной высокопрочной стали (AHSS), повышающей безопасность и жесткость на кручение на 16 %.

Honda Accord 2018 года, победившая в номинации «Автомобиль года 2018», имеет более легкую и жесткую конструкцию кузова, которая на 29 % состоит из сверхвысокопрочной стали, что является наиболее широким применением этого материала для снижения веса в любом серийном автомобиле Honda. В целом в новом Accord используется 54,2 % высокопрочной стали (выше 440 МПа).

Внедорожник Volvo XC40–2018 установил новый стандарт безопасности. Его каркас разработан для максимальной защиты пассажиров во всех типах аварийных ситуаций. 20 % конструкции от общей массы автомобиля изготовлено из горячеформованной борсодержащей стали (AHSS).

Сталелитейная промышленность продолжает идти в ногу с задачами, которые ставит перед нею автомобилестроители, инвестируя в исследования и разработки значительные силы и средства, чтобы использовать на благо человечества удивительные свойства стали.

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
Азот (N₂) и кислород (O₂) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
Водород (H₂) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

Сталь в автомобилестроении

Несмотря на активное внедрение современных композитных и синтетических материалов в автомобилестроении, производители по-прежнему используют сталь – традиционный и зарекомендовавший себя материал.

И в ближайшей перспективе отказа от этого известного на протяжении многих веков материала не предвидится. Более того, современная автомобилестроительная отрасль не только считается одним из основных потребителей высококачественного стального проката, но и способствовала появлению множества инноваций и революционных решений в металлургии.

В современной автомобильной промышленности используются специальные высокопрочные марки стали

Широкое использование стали в автомобильной отрасли обусловлено целым рядом значимых преимуществ ее перед другими материалами:

Высокая жесткость, способность сохранять форму.
Высокие прочностные характеристики.
Широкие возможности формования.
Невысокая цена.
Простота ремонта.

В то же время, использование стальных материалов в автомобильной промышленности имеет и ряд недостатков, основной из которых заключается в том, что металлическая поверхность подвержена воздействию коррозии. Впрочем, современные производители транспортных средств решают эту проблему за счет специальных защитных покрытий или использования нержавеющих сталей, устойчивых к коррозии.

Конечно, применяемый сегодня в автомобилестроении стальной прокат существенно отличается от металла, который использовался в этой отрасли еще несколько десятков лет назад. Современные автопроизводители предъявляют к металлическому сырью достаточно специфические (и нередко противоречивые) требования.

Автомобильная сталь вчера и сегодня

Используемые в наши дни в автомобильной промышленности марки стали довольно сильно отличаются от металлопроката, который применяется в других отраслях, например, в строительной. Кроме того, современные разновидности автомобильных сталей имеют большое отличие и от стального проката, применявшегося производителями транспортных средств еще несколько десятков лет назад.

Толчком к созданию и внедрению в производство новых сплавов и марок явились ужесточение природоохранных норм, более высокая мощность применяемых в автомобилестроении двигателей, повышение требований к безопасности пешеходов, водителей и пассажиров, а также ряд других факторов.

К примеру, до 80-х годов прошлого века порядка 90 % конструкции легковых машин изготавливалось из мягких сталей невысокой прочности, которые имели в международной классификации обозначение Mild. А примерно с этого времени разработчики стали задумываться о необходимости снижения массы транспортных средств за счет применения новых материалов и передовых технологий металлообработки.

В результате на рынке появились углерод-марганцевые стали (CMn) с увеличенным уровнем прочности и стальные сплавы, которые имели свойство повышать свою прочность в процессе сушки лакокрасочного покрытия транспортного средства (BH).

Следующим логичным этапом стало появление высокопрочных марок стали (HSS), в создании которых участвовали ведущие мировые сталеплавильные концерны и Международный институт чугуна и стали. Данные марки оптимально соответствуют потребностям автомобильной отрасли, сочетая в себе такие, казалось бы, взаимоисключающие качества, как прочность и пластичность.

Появление такого материала дало мощный толчок развитию и трансформации автомобилестроительной отрасли – к примеру, доля мягких сталей в конструкции кузова выпускаемых сегодня автомобилей не превышает 30 %, а оставшаяся часть приходится на современные высокопрочные стали с улучшенными параметрами. В течение следующих двух десятилетий долю мягких сталей в автомобилестроении планируется уменьшить до 3 %.

При изготовлении кузовов современных автомобилей производители применяют передовые технологии и высокопрочные марки стали

Требования к применяемым в автомобилестроении сталям

Преимущественно стальной прокат в автомобилестроении используется для изготовления кузовов транспортных средств – каркаса, внешней обшивки, крепежных и прочих элементов конструкции. Применение такого материала призвано решить ряд важных задач, стоящих перед разработчиками и производителями автомашин, и в существенной мере влияющих на требования к используемым в автомобилестроении маркам стали.

Изготовление штампованных деталей сложной конфигурации

Высокие аэродинамические и эстетические требования к современным автомашинам напрямую влияют на свойства применяемых в автомобилестроении материалов. Производителю требуется металл, который при достаточных прочностных качествах хорошо бы подходил для штамповки, позволяя получить сложную обтекаемую форму кузова. То есть, стальной лист должен хорошо формоваться и впоследствии сохранять приданную ему при штамповке форму.

Обеспечение безопасности находящихся в автомобиле людей

При высоких требованиях в плане пластичности применяемый в автомобильной промышленности металл должен иметь и достаточный уровень прочности для обеспечения должной безопасности водителя и пассажиров транспортного средства. Для достижения минимальной деформации кузова при ДТП разработчики задействуют самые продвинутые конструктивные решения, однако и от физических параметров используемой в производстве стали зависит очень многое для обеспечения безопасности людей.

Обеспечение безопасности пешеходов

Чтобы по возможности уменьшить вред, наносимый пешеходу при столкновении с транспортным средством, разработчики применяют при изготовлении отдельных частей наружной оболочки автомобиля мягкую тонкую листовую сталь. В случае столкновения такие части корпуса складываются или деформируются, что снижает ущерб для пешехода и оставляет больше шансов для спасения его жизни.

Увеличение степени экологичности транспортного средства

Этот параметр напрямую связан с массой автомобиля – чем машина тяжелее, тем больше топлива ей требуется, и тем больше вредных выхлопов она произведет при езде. Чтобы снизить массу транспортного средства, производители стремятся использовать более тонкий металл. Однако делается это не в ущерб безопасности водителя и пассажиров, поэтому доля использования высокопрочного стального проката в автомобильной промышленности стабильно растет.

Инновационную сталь для автомобильной отрасли отличает повышенная прочность и

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

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.

Автомобильная сталь Docol®

Разрабатывая инновационные материалы для автомобилестроения, компания SSAB предлагает автопроизводителям воспользоваться прогрессивной высокопрочной сталью Docol®, а также специализированными ресурсами, чтобы спроектировать автомобили более лёгкой и безопасной конструкции. В ассортименте SSAB представлен широкий выбор марок высокопрочной автомобильной стали Docol®, в том числе сверхпрочной, высокопрочной, а также с прочностью, превосходящей требования стандартов VDA, SAE, EN, JIS и OEM.

Безопасность и небольшой вес

Кузовные элементы с улучшенными характеристиками безопасности благодаря использованию оптимизированных профилей из высокопрочной стали, формирующих энергопоглощающую конструкцию с эффективной защитой от проникновения.

Самая прочная сталь

Долговечная конструкция с высокой ударной вязкостью и усталостной прочностью благодаря использованию стали с пределом прочности 2000 МПа

Удобство в формовке

Используя сложную геометрию, оптимизируйте конструкцию компонентов в системе обеспечения безопасности. Мы предлагаем моделирование процесса формовки, которое в последствии обеспечит стабильность производства.

Высокая пригодность к сварке

Достаточно традиционного сварочного процесса, чтобы надёжно соединить компоненты из высокопрочной стали, улучшив жёсткость конструкции при кручении и управляемость автомобиля.

Экономичный и экологически чистый материал

Замените дорогостоящие и углеродоёмкие материалы, такие как алюминий и армированные волокном композиты, на наиболее экологичную из представленных сегодня на рынке марок прогрессивной высокопрочной стали, которая к 2026 году будет выплавляться без использования ископаемого топлива.

В соответствии с требованиями OEM производителей

Высокопрочная и сверхпрочная автомобильная сталь, разработанная в соответствии с требованиями заказчика.

Сталь для легковых автомобилей с нулевыми выбросами CO2 уже в 2026 году

Компания SSAB предлагает сталь, полученную без использования ископаемого топлива, в производстве которой вместо коксующего угля применяется экологически чистый водород для прямого восстановления железа. При этом выбросы CO₂ в максимальной степени сокращены на всех этапах производственно-сбытовой цепочки этого материала – от добычи полезных ископаемых до поставки продукции заказчику. Уже существует первый автомобиль, изготовленный из стали, выплавленной без использования ископаемого топлива. В 2026 году прогрессивная сталь повышенной прочности и высокопрочная низколегированная сталь для автомобилестроения будут представлены в коммерческих объёмах.

Информационные ресурсы и обзоры автомобильной стали

Вебинары о высокопрочной стали для автомобилестроения

Для ознакомления и обсуждения предлагаются такие темы, как моделирование процесса формовки изделий из высокопрочной стали, использование сверхпрочной стали для корпуса аккумуляторной батареи электромобиля, использование высокопрочной стали 3-го поколения для решения для задач в области применения материалов.

Статьи о проектировании, формовке и другие темы

Передовой опыт проектирования автомобильных компонентов из высокопрочной стали, трёхмерное профилирование, штамповка, сварка, актуальные аспекты проектирования кузовных конструкций для электромобилей, сталь, полученная без использования ископаемого топлива, влияние тенденций в сфере обеспечения мобильности на конструкцию автомобилей.

Образцы и информация по формовке высокопрочной стали

Обратитесь к экспертам нашей технической службы на ранних этапах разработки, чтобы выбрать прогрессивную высокопрочную сталь, которая наилучшим образом подойдёт для моделирования и тестирования образцов.

Предлагаемые марки автомобильной стали

Мартенситная сталь: отличное сочетание прочности и пригодности к формованию

Благодаря сочетанию высокой прочности на разрыв (до 1700 МПа) и пластичности мартенситная сталь является превосходным материалом для производства облегчённых транспортных средств с улучшенной защитой при столкновении, особенно в местах, подверженных высокому риску проникновения.

Закаляемая под прессом сталь для производства изделий сложной формы

Закаляемая под прессом сталь имеет четыре основных преимущества: из неё можно получить изделия чрезвычайно сложной формы, она отличается малым пружинением или полным его отсутствием, предел её прочности составляет до 2000 МПа, кроме того её отпуск можно адаптировать в соответствии с необходимыми характеристиками многофункциональных элементов, обеспечивающих безопасность при столкновении, в которых сочетаются твёрдые и мягкие области.

Многофазная сталь (CP) для областей применения, где требуется наиболее высокий коэффициент расширения отверстий

Среди марок прогрессивной высокопрочной стали многофазная сталь обладает наиболее высоким (до 100%) коэффициентом расширения отверстий. Высокие показатели твёрдости по Бринеллю обеспечивают превосходные характеристики холодного формования с пробивкой и вытяжкой кромок и фланцев, а также с глубокой вытяжкой компонентов. Исключительный предел текучести многофазной стали обеспечивает эффективное поглощение энергии удара, тогда как за счёт высокого предела прочности можно уменьшить толщину изделия, что приведёт к значительному уменьшению веса автомобиля.

Двухфазная сталь DP: высокая пластичность и превосходное энергопоглощение

Двухфазная автомобильная сталь сочетает в себе пластичность, высокую прочность на разрыв, пригодность к холодному формованию и превосходное поглощение энергии удара. Благодаря высокому коэффициенту механического упрочнения на ранней стадии (n) сталь DP устойчива к местному сужению за счёт перераспределения напряжений с равномерным удлинением. Благодаря превосходному соотношению предела текучести к прочности двухфазная сталь отличается хорошей общей формуемостью, что позволяет использовать её в процессах глубокой вытяжки и растяжения, при этом она обладает отличной свариваемостью.

Высокопрочная низколегированная сталь с улучшенной пластичностью кромки (HE)

Высокопрочная низколегированная сталь Docol® отличается улучшенной локальной формуемостью и высоким коэффициентом расширения отверстий. Она идеально подходит для изготовления автомобильных компонентов сложной формы с разрезными вытянутыми кромками.

Высокопрочная низколегированная сталь – экономичное решение для уменьшения веса автомобильных компонентов

Высокопрочная низколегированная сталь, по сравнению с обычной низкоуглеродистой, является экономичным решением для повышения соотношения прочности компонента к его массе. Кроме того, высокопрочная низколегированная сталь отличается высокой пригодностью к гибке и сварке, а также способна повысить прочность и (или) уменьшить вес различных компонентов кузова и шасси, включая подвески, балки и подрамники.

Феррито-бейнитная сталь: хорошие показатели холодного формования благодаря способности растяжения кромки фланцев

Феррито-бейнитная многофазная сталь с высоким коэффициентом расширения отверстий и пригодностью к растяжению кромок. Феррито-бейнитная сталь (FB) подходит для изготовления холодногнутых и пробивных фланцев в процессе производства облегчённых автомобильных компонентов (колёс, поперечин и других конструкционных элементов).

Проверенный процесс разработки решений из высокопрочной стали

Высокопрочная сталь для эффективной защиты при столкновении

Сталь Docol ® будет решением для производителей, которые желают повысить уровень защиты пассажирского салона и аккумуляторной батареи электромобиля. К примеру, изучив расчётные данные различного профиля из высокопрочной стали, мы смогли представить тот, который демонстрирует улучшенную передачу энергии (2х) в момент столкновения по сравнению с трубами квадратного сечения.

Оптимизация веса с помощью автомобильной стали Docol ®

Каковы ваши планы в отношении оптимизации веса компонентов системы безопасности? 10% – 20%? Переход к облегчённым компонентам из более тонкого материала высокой прочности является основной причиной постоянного роста популярности прогрессивной высокопрочной стали у автопроизводителей.

Высокий уровень эффективности и воспроизводимости за счёт оптимизации процесса формовки прогрессивной высокопрочной стали

Будь то разработка концепции и дизайна, моделирование и проверка производственного оборудования, эксперты по стали Docol ® сопровождают заказчика на протяжении всего процесса разработки компонентов. Мы поможем определить наиболее эффективную компоновку (в т.ч. покрытие, оптимальный материал и форму матрицы), чтобы обеспечить высокое качество и стабильность производства.

Превосходная свариваемость высокопрочной стали Docol ®

Сварные соединения высокопрочной стали отличаются исключительной надёжностью, обеспечивая высокую жёсткость при кручении и усталостную прочность. Даже наиболее прочная автомобильная сталь из нашего ассортимента пригодна для сварки традиционными методами, в том числе лазерной, дуговой и точечной контактной сваркой. Кроме того, мы оказываем содействие в моделировании сварочных соединений, чтобы подтвердить эффективность выбранного процесса.

Высокопрочная сталь – экономичное и экологически чистое решение для автомобилестроения

Альтернативами для высокопрочной стали в автомобилестроении являются алюминий и армированные волокном композиты – более дорогие и углеродоёмкие материалы, со сложным процессом формовки, для которого требуются специальные знания и оборудование. Кроме того, они имеют более сложный процесс переработки по сравнению со сталью.

При этом, прогрессивная высокопрочная сталь имеет множество примеров успешного решения проблем в серийном производстве, обеспечивая эффективную защиту при столкновении, значительное уменьшение веса и улучшение характеристик автомобиля.

Читайте также: