Сталі, що використовуються в автомобільній промисловості (automotive)

Сталь становить близько 55% маси автомобіля і використовується переважно для виготовлення конструктивних елементів кузова та шасі. Протягом останніх кількох десятиліть методи виробництва сталі значно вдосконалилися, результатом чого стало створення сталей, які одночасно є міцними та пластичними або добре піддаються формуванню під час обробки й набувають високої міцності після затвердіння лакофарбового покриття. У цій статті розглядаються сталі, що застосовуються в автомобільній промисловості.

Автомобільні сталі — загальний огляд

Класифікація конструкційних сталей, що використовуються в автомобільній промисловості:

• М'які пластичні сталі для глибокого штампування: 
  • алюмінієм розкислені сталі (англ. Al-killed steel) 
  • безінтерстиціальні сталі IF (англ. interstitial free)
• Сталі для глибокого штампування підвищеної міцності, або сталі HSS (англ. High Strength Steel):
  • високоміцні сталі IF-HS
  • сталі BH, що зміцнюються під час затвердіння лакофарбового покриття (англ.baked-hardened)
• Високоміцні сталі AHSS (англ.Advanced High Strength Steel):
  • двофазні сталі DP (англ. dual phase)
  • сталі зі складною фазовою структурою CP (англ. complex phase)
• Марганцеві сталі AHSS:
  • сталі TRIP, що зміцнюються внаслідок фазового перетворення (англ. transformation induce plasticity)
  • сталі TWIP, що зміцнюються завдяки ефекту двійникування.

Алюмінієм розкислена сталь

Опис: вуглець у цих сталях перебуває в розчиненому стані або у вигляді карбідів заліза, що надає сталі високої пластичності та м'якості. Схильні до старіння.

Стандарти: ці сталі часто відповідають вимогам DC01 та DC03.

• Сталь DC01:
  • вміст вуглецю — менше 0,12 %; може містити Ti або B;
  • межа пластичності Re < 280 MPa;
  • опір розриву Rm = 270–410 MPa;
  • відносне подовження A = 28 %.
• Сталь DC03:
  • вміст вуглецю — менше 0,10 %; може містити Ti або B;
  • межа пластичності Re < 240 MPa;
  • опір розриву Rm = 270–370 MPa;
  • відносне подовження A = 34 %.

Особливий випадок: повністю розкислена сталь для глибокого штампування DQSK (Drawing Quality Special Killed), до якої висуваються підвищені вимоги щодо якості.

Безінтерстиціальна сталь IF (Interstitial Free)

Інші назви: сталь IF (ang. interstitial free), сталь для глибокого штампування; сталь SEDDQ (ang. super extra deep drawing quality), сталь з ультранизьким вмістом вуглецю; сталь ULC (ang. ultra lot carbon).

Опис: вуглець і азот у цих сталях зв'язані у стабільні фази та не виділяються у ферит, завдяки чому така сталь є надзвичайно пластичною та дуже м'якою. Для ефективного видалення атомів C і N з фериту необхідне легування алюмінієм (Al), титаном (Ti) та ніобієм (Nb). Стійка до старіння.

Типові властивості:

• Коефіцієнт r_s: 1,9-2,4
• Тимчасовий опір розриву Rm: 330-390 MPa

Стандарти: лише безінтерстиціальні сталі IF відповідають вимогам DC06 і DC07.

• Сталь DC06:
  • вміст вуглецю — менше 0,02 %; вміст титану — менше 0,3 %; титан може бути замінений Nb;
  • межа пластичності Re: <170 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm: 270-330 MPa
  • відносне подовження A: 41 %
• Сталь DC07:
  • вміст вуглецю — менше 0,01 %; вміст титану — менше 0,2 %; титан може бути замінений Nb;
  • межа пластичності Re: <150 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm: 250-310 MPa
  • відносне подовження A: 44 %

Сталь IF підвищеної міцності

Інша назва: сталь IF-HS (англ. interstitial free high strength)

Опис: містить легувальні добавки титану, ніобію та ванадію. Відзначається високою міцністю, водночас зберігаючи придатність до глибокого штампування. Стійка до старіння.

Стандарти: вибрані види плоского прокату згідно з PN-EN 10268:2008:

• HC180Y:
  • хімічний склад: C<0,01; Si<0,3; Mn<0,7; P<0,06; Ti<0,12
  • тимчасовий опір розриву Rm> 340 MPa
  • відносне подовження A> 36%
  • коефіцієнт старіння r: >1,7 
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,19
• HC220Y
  • хімічний склад: C<0,1; Si<0,3; Mn<0,9; P<0,08; Ti<0,12
  • тимчасовий опір розриву Rm> 350 MPa
  • відносне подовження A> 34%
  • коефіцієнт старіння r: >1,6 
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,18
• HC260Y
  • хімічний склад: C<0,01; Si<0,3; Mn<1,6; P<0,08; Ti<0,12
  • тимчасовий опір розриву Rm> 350 MPa
  • відносне подовження A> 34%
  • коефіцієнт старіння r: >1,6 
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,17

Сталь BH, що зміцнюється під час затвердіння лакофарбового покриття

Інша назва: сталь BH (англ. baked-hardenable)

Застосування в автомобільній промисловості: Кузов автомобіля.

Опис​​​​​​​: У стані постачання ці сталі є дуже м'якими та пластичними, що дозволяє виконувати холодне деформування. Після формування на виріб наносять лакофарбове покриття, а потім весь елемент піддають термічній обробці в печі для його затвердіння. Під час затвердіння лакофарбового покриття також відбувається значне підвищення межі текучості сталі (не менше ніж на 30 МПа) і незначне збільшення тимчасового опору розриву. Процес затвердіння проводиться при температурі 150–250 °C протягом 15–20 хвилин. Листові сталі, що зміцнюються під час затвердіння лакофарбового покриття, отримують шляхом рекристалізаційного відпалу стрічки з низьковуглецевої сталі в ковпаковій печі або на безперервній лінії, а також шляхом безперервного рекристалізаційного відпалу стрічки з безінтерстиціальної сталі.

Стандарти​​​​​​​: Вибрані види плоского прокату згідно з PN-EN 10268:2008:

• HC180B:
  • хімічний склад: C<0,05; Si<0,7; Mn<0,7; P<0,06;
  • тимчасовий опір розриву Rm> 300 MPa
  • відносне подовження A> 34%
  • коефіцієнт старіння r: >1,6 
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,17
• HC220B
  • хімічний склад: C<0,06; Si<0,5; Mn<0,7; P<0,08
  • тимчасовий опір розриву Rm> 320 MPa
  • відносне подовження A> 33%
  • коефіцієнт старіння r: >1,5 
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,16
• HC260B
  • хімічний склад: C<0,08; Si<0,5; Mn<0,7; P<0,1
  • тимчасовий опір розриву Rm> 360 MPa
  • відносне подовження A> 29%
• HC300B
  • хімічний склад: C<0,1; Si<0,5; Mn<0,7; P<0,12
  • тимчасовий опір розриву Rm> 400 MPa
  • відносне подовження A> 26

Двофазна сталь DP

Інші назви: сталь DP (англ. dual phase), dual steel.

Застосування в автомобільній промисловості​​​​​​​: рами, лонжерони, стійки кузова, каркаси сидінь, балки бічного захисту та критично важливі елементи безпеки.

Опис​​​​​​​: це багатофазні сталі, мікроструктура яких складається переважно з феритної матриці та мартенситу. Зміцнення відбувається ще на етапі виготовлення матеріалу. Такі сталі обробляють при температурі, близькій до критичної, за якої співіснують кілька фаз. Низький вміст вуглецю забезпечує їм добру зварюваність. В автомобільній промисловості використання цих сталей дозволяє зменшити масу конструкції до 50 % при збереженні тієї самої міцності деталей. Крім того, вони добре піддаються формуванню, мають високу корозійну стійкість і здатні поглинати значну кількість енергії.

Стандарти​​​​​​​: вибрані види плоского прокату згідно з PN-EN 10336:2007 (C — холоднокатаний прокат, D — гарячекатаний прокат).

• HCT450X:
  • хімічний склад: C<0,14; Si<0,8; Mn<2,0; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • межа текучості R_p0,2 260-340 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 450 MPa
  • відносне подовження A> 27%
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,16
  • показник зміцнення під час затвердіння лакофарбового покриття BH₂: >30 MPa
• HCT500X:
  • хімічний склад: C<0,14; Si<0,8; Mn<2,0; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • межа текучості R_p0,2 300-380 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 500 MPa
  • відносне подовження A> 23%
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,15
  • показник зміцнення під час затвердіння лакофарбового покриття BH₂: >30 MPa
• HCT600X:
  • хімічний склад: C<0,17; Si<0,8; Mn<2,2; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • межа текучості R_p0,2 340-420 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 600 MPa
  • відносне подовження A> 20%
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,14
  • показник зміцнення під час затвердіння лакофарбового покриття BH₂: >30 MPa
• HDT580X:
  • хімічний склад: C<0,17; Si<0,8; Mn<2,2; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • межа текучості R_p0,2 330-460 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 580 MPa
  • відносне подовження A> 19%
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,13
  • показник зміцнення під час затвердіння лакофарбового покриття BH₂: >30 MPa
• HDT780X:
  • хімічний склад: C<0,18; Si<0,8; Mn<2,5; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • межа текучості R_p0,2 450-560 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 780 MPa
  • відносне подовження A> 14%
  • показник зміцнення під час затвердіння лакофарбового покриття BH₂: >30 MPa
• HDT980X:
  • хімічний склад: C<0,23; Si<0,8; Mn<2,5; P<0,08; Cr+Mo<1,0; Nb+Ti<1,15
  • межа текучості R_p0,2 600-750 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 980 MPa
  • відносне подовження A> 10%
  • показник зміцнення під час затвердіння лакофарбового покриття BH₂: >30 MPa

Сталь зі складною фазовою структурою CP

Інша назва: сталь CP (англ. complex phase).

Застосування в автомобільній промисловості​​​​​​​: дверні балки, підсилювачі та пороги.

Опис​​​​​​​: сталь містить верхній і нижній бейніт, мартенсит, а також невелику кількість фериту й аустеніту, стабільність якого є нижчою, ніж у сталі TRIP. Сталева стрічка виготовляється на станах гарячої прокатки з регульованим охолодженням стрічки на рольгангах після останнього проходу.

Стандарти​​​​​​​: вибрані види плоского прокату згідно з PN-EN 10336:2007.

• HCT600C:
  • хімічний склад: 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
  • межа текучості R_p0,2 350-500 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 600 MPa
  • відносне подовження A> 16%
• HCT980C:
  • хімічний склад: 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
  • межа текучості R_p0,2 700-900 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 980 MPa
  • відносне подовження A> 7%

Сталь TRIP, що зміцнюється внаслідок фазового перетворення

Інші назви: сталь TRIP (англ.​​​​​​​ transformation induced plasticity), сталь із залишковим аустенітом, сталь із підвищеною пластичністю завдяки фазовому перетворенню.

Застосування в автомобільній промисловості​​​​​​​: пороги, підсилювачі дверей, стійки кузова, елементи зон контрольованої деформації.

Опис​​​​​​​: Сталь із дуже високою міцністю та добрими пластичними властивостями. Її характерною особливістю є те, що під час механічної деформації відбуваються фазові перетворення. Це забезпечує поглинання значної кількості енергії, оскільки метал перетворює енергію удару на зміцнення сталі.

Стандарти​​​​​​​: вибрані види плоского прокату згідно з PN-EN 10336:2007.

• HCT690T:
  • хімічний склад: C<0,32; Si<2,2; Mn<2,5; P<0,12; Cr+Mo<0,6; Nb+Ti<0,2
  • межа текучості  R_p0,2 430-550 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 690 MPa
  • відносне подовження A> 23%
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,18
  • показник зміцнення під час затвердіння лакофарбового покриття BH₂: >40 MPa
• HCT500X:
  • хімічний склад: C<0,32; Si<2,2; Mn<2,5; P<0,12; Cr+Mo<0,6; Nb+Ti<0,2
  • межа текучості R_p0,2 470-600 MPa
  • тимчасовий опір розриву Rm> 780 MPa
  • відносне подовження A> 21%
  • показник деформаційного зміцнення n: >0,16
  • показник зміцнення під час затвердіння лакофарбового покриття BH₂: >40 MPa

Сталь TWIP з ефектом двійникування

Інша назва: сталь TWIP (англ. twinning induced plasticity).

Застосування в автомобільній промисловості​​​​​​​: дверні балки та підсилювачі, балки бамперів.

Опис​​​​​​​: сучасний вид сталі. Подібно до сталей TRIP, ударне навантаження спричиняє її зміцнення, завдяки чому ці сталі поєднують високу міцність і пластичність.

Бібліографія

• 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.