диплом2 часть

2. Основная часть

Технология автолиста

2.1 Требования к химическому составу, микроструктуре и механическим свойствам сталей, предназначенных для глубокой вытяжки.

Основным требованием является способность листа или полосы к глубокой или весьма глубокой вытяжке при изготовлении деталей заданной формы и размеров с помощью холодной штамповки при минимальных отходах и низкой стоимости материала. Это достигается в том случае, если листы, изготовленные на металлургических заводах, имеют высокие пластические свойства, однородные по всему объему штампуемого листа, и не изменяют своих свойств в промежутке между прокаткой их и штамповкой из них деталей.

Качественная полосовая сталь для глубокой вытяжки должна отвечать многим требованиям в отношении химического состава, способа производства, метода раскисления и разливки стали, качества поверхности листа и штамповки, микроструктуры, макроструктуры и механических свойств, их стабильности в зависимости от времени и температуры, а также допустимой или требуемой анизотропии свойств и точности размеров прокатываемых листов и т. п. При этом однородность свойств должна сохраняться не только по ширине, но и по всей длине полос. Большое значение имеет улучшение пластических свойств особенно в листах малой толщины.

Основное внимание необходимо уделять тем свойствам полос, на которые могут влиять и которые могут контролировать производитель и потребитель полос.

Прежде всего, речь идет о химическом составе, механических свойствах, микроструктуре, качестве поверхности и точности размеров полосы. Все требования к стальным полосам, предназначенным для глубокой вытяжки, должны учитываться при разработке технологии их производства, начиная от выплавки стали и кончая дрессировкой.

2.1.1Требования к химическому составу

Малоуглеродистые стали для глубокой вытяжки, кроме углерода, марганца, небольших количеств кремния, серы, фосфора и газов, содержат также и другие добавочные примеси, такие как медь, хром, никель, молибден, олово, которые в сталь попадают вместе со скрапом и чугуном.

Нестареющие стали для глубокой вытяжки содержат также небольшие присадки таких раскисляющих добавок, как алюминий, ванадий, бор, титан и т.п.

По углероду. В кипящих сталях наиболее оптимальное содержание углерода по плавочному анализу находится в пределах 0,08-0,12%. Так как при кипении стали в изложнице содержание углерода падает на 0,02- 0,03%, то оптимальное содержание углерода в слитке достигает 0,05-0,10%. Более низкое содержание углерода в плавке (<0,06%) нежелательно из-за опасности газонасыщения и увеличения ее склонности к росту зерна. Более высокое содержание углерода увеличивает прочность и ухудшает пластические свойства стали. На способность стали к глубокой вытяжке большое влияние оказывает состояние, в котором находится углерод в стали.

По марганцу. Так как марганец увеличивает прочность материала, то его присутствие в малоуглеродистой стали необходимо лишь для связи серы в пластически деформируемые соединения марганца. Поэтому сталь должна содержать не менее пяти — семикратного количества марганца по сравнению с серой, а у кипящих сталей не менее чем десяти — двенадцатикратное количество. В последнее время было установлено, что марганец и увеличивает способность к глубокой вытяжке. Для достижения высоких вытяжных свойств содержание марганца в стали должно быть в пределах 0,36—0,39%. Если в стали содержится марганца меньше, чем 0,30%, то на боковых кромках горячекатаных полос образуются трещины.

По кремнию. В сталях, предназначенных для глубокой вытяжки и раскисленных алюминием, содержание кремня не должно превышать 0,04-0,08%. В случаях, когда для штамповки требуется сталь не только с высокой способностью к глубокой вытяжке, но и с определенной жесткостью, в сталях для глубокой вытяжки допускается содержание кремния в пределах 0,05-0,10%.

По фосфору и сере. В сталях для глубокой вытяжки оба эти элемента являются нежелательными и вредными и их содержание должно быть сведено к минимуму. Фосфор увеличивает прочность и ухудшает способность стали к вытяжки. Содержание фосфора, допускаемое нормами в сталях для глубокой вытяжки, приведено в табл.2.1.

В качественных сталях для глубокой вытяжки максимально допустимое содержание фосфора не должно превышать 0,030%.При содержании в стали 0,05% P во время глубокой вытяжки значительно увеличивается брак.

Сера в стали обычно находиться в виде сернистых включений, которые ухудшают пластические свойства материала. Сернистые включения в большей мере снижают способность стали к глубокой вытяжки, если они находятся в структуре в виде крупных включений. Фосфор и сера относятся к элементам, которые при затвердевании слитка значительно сегрегируют. Поэтому в кипящих сталях их содержание по плавочному анализу должно быть очень низким с тем, чтобы в верхней трети слитка они не превысили верхней границы допустимого по норме содержания. При более высоком содержании фосфора и серы снижается выход годного из слитков кипящей стали, предназначенных для глубокой вытяжки.

Таблица 2.1

Химический состав, % (по массе), сталей

для глубокой и весьма глубокой вытяжки

Норма

Назначение стали

Сталь

C

S1

Mn

< P

< S

Al

V

< Cr

< Ni

DIN

1624

(ГДР)

Для глубокой и весьма глубокой вытяжки

Кипящая,

содержащая

следы Si

< 0,10

0,03-0,15

0,2-0,45

0,040

0,040

-

-

-

-

< 0,10

0,03

0,10

0,2-0,45

0,030

0,035

-

-

-

-

ГОСТ

1050 — 60

Для глубокой и весьма глубокой вытяжки

Кипящая

< 0,06

0,05 – 0,11

< 0,03

< 0,03

< 0,40

0,25 – 0,50

0,035

0,040

0,040

0,040

-

-

-

-

0,10

0,10

0,25

0,25

ГОСТ

9045 — 59

Для глубокой и весьма глубокой вытяжки, для специальных видов штамповки (на автомобильный лист)

Кипящая, стабилизирован-

ная ванадием.

Стабилизирован-ная алюминием.

< 0,08

-

0,30 – 0,45

0,020

0,030

-

0,02-0,07

0,02-

0,04

-

-

-

-

-

По газам. Из газов наиболее вредное влияние на сталь оказывают азот и затем кислород. Оба эти элемента влияют на старение стали и образуют неметаллические включения (оксиды, нитриды), снижающие пластические свойства листов для глубокой вытяжки. Азот, как и фосфор, значительно повышает предел текучести и прочности стали. Допустимое содержание обоих элементов нормами обычно не оговаривается. Кипящие стали для глубокой вытяжки не должны иметь азота больше 0,006%, а спокойные — не больше 0,008%. Газы в стали ухудшают ее вытяжные свойства из-за образования пузырей и усадочных раковин, которые при неполной сварке во время горячей прокатки являются причиной образования трещин при холодной штамповке листа, в особенности в местах концентрации напряжений.

По другим примесям. Сопровождающие примеси, к которым относятся медь, олово, хром, молибден и никель, попадают в сталь в основном из скрапа. Большинство этих элементов упрочняет материал, поэтому их содержание должно быть сведено к минимуму. В сталях, предназначенных для весьма глубокой вытяжки, максимальное содержание меди не должно превышать 0,15. В обычных марках стали для глубокой вытяжки содержание 0,20% Сu еще не вызывает больших трудностей при вытяжке. В автомобильном листе допускается содержание <0,03% Сr и <0,10% Ni. В сталях, предназначенных для весьма глубокой вытяжки, суммарное содержание хрома, молибдена и никеля не должно превышать 0,15%.

По стабилизаторам. Из стабилизаторов, к которым относятся алюминий, ванадии, титан, бор, цирконий, ниобий, наиболее часто применяют алюминий, ванадий, бор и титан. В обычных сталях для глубокой вытяжки эти присадки обычно не встречаются, за исключением алюминия, который является обычным раскислителем. Вносят эти элементы лишь в нестареющие стали с тем, чтобы они связали азот и другие элементы, способствующие старению малоуглеродистых сталей. Преимуществом некоторых стабилизаторов, например ванадия и бора, является то, что они связывают не только азот, но и углерод и даже кислород. В качестве стабилизатора при производстве нестареющих сталей наиболее часто применяют алюминии, который связывает в основном азот и, кроме того, является сильным раскислителем. Устойчивость стали против старения может обеспечить минимальное содержание остаточного алюминия в стали (до 0,02%). В этом случае сталь затвердевает как спокойная. Более высокое содержание алюминия (>0,02%) улучшает микроструктуру стали после конечной термической обработки полосы. Алюминий, который является поверхностно активным элементом, снижает поверхностные напряжения на границах ферритных зерен и при рекристаллизационном отжиге холоднокатаных полос способствует образованию вытянутых ферритных зерен, что повышает способность стали к глубокой вытяжке. Содержание остаточного алюминия в этих сталях достигает 0,02—0,09%. Большое преимущество алюминия состоит в том, что он, имея приблизительно такой же атомный радиус, как и железо, в минимальной степени упрочняет материал, кроме того, он связывает в стали свободно растворенный азот в нитриды азота, улучшая тем самым ее пластические свойства. Ванадий и бор являются слабыми раскислителями по сравнению с алюминием. Для стабилизации азота и углерода в малоуглеродистых сталях для глубокой вытяжки достаточно 0,02-0,04% V. При таком содержании ванадия сталь после отливки затвердевает как кипящая. Подобно ванадию, ведет себя и бор; достаточно 0,005-0,007% В, чтобы обеспечить сопротивление стали старению. Сталь, стабилизированная бором, при разливке имеет скорее характер полуспокойной, чем кипящей стали.

Титан применяют для стабилизации сталей, предназначенных для глубокой вытяжки и последующего эмалирования, когда необходимо связать углерод в стабильные карбиды титана с тем, чтобы при отжиге эмали не образовывался аустенит и не происходило искривления листов. Титан связывает не только углерод, но также и азот, серу и кислород, поэтому для стабилизации в сталь вводят до 0,4-0,5% Ті. Отрицательное влияние титана проявляется в очевидном упрочнении материала.

2.1.2 Требования к микроструктуре

Микроструктура стали для вытяжкиМикроструктура листа оказывает значительное влияние па механические свойства, качество поверхности штамповки и брак при глубокой вытяжке. На способность стали к глубокой вытяжке влияют, в основном, величина и форма ферритного зерна, а также количество; форма и распределение цементита и включений. Микроструктура малоуглеродистых листов для глубокой вытяжки состоит в основном из феррита и цементита. Лучшие условия для обеспечения хорошей склонности стали к глубокой вытяжке создаются в том случае, когда глобулярный цементит распределен равномерно в основной ферритной составляющей (рис 2.1).

Рис. 2.1 Оптимальная микроструктура стали, предназначенной для глубокой вытяжки:

а - обычного качества;

б - нестареющая сталь,стабилизированная

алюминием.

Микроструктура стали для вытяжкиРис.2.2.Неблагоприятная микроструктура листов, предназначенных для глубокой вытяжки:

а - пластинчатый перлит;

б - цементит в виде крупных образований по границам ферритных зерен.

Менее благоприятным будет пластинчатый перлит (рис. 2.2а)и еще менее благоприятными будут крупные выделения структурно свободного цементита по границам зерен (рис. 2.2 б). Присутствие в структуре пластинчатого перлита увеличивает прочность и ухудшает пластические свойства стали и тем в большей степени, чем большее количество его находится в структуре. С увеличением дисперсности выделенного цементита улучшается пластичность и уменьшается анизотропия механических свойств материала. Допустимое количества структурного свободного цементита в сталях для глубокой вытяжки определяется ГОСТами (рис 2.3).

Микроструктура стали для вытяжки

Рис. 2.3 Классификационная шкала ГОСТ 5640-59 для определения структурного свободного цементита в сталях, предназначенных для глубокой вытяжки

Ряд А характеризует выделение цементита в виде очень мелких и равномерно распределенных прерывистых выделений, ряд В — в виде мелких сплошных выделений, ряд С — в виде крупных сплошных выделении и, наконец, ряд D — в виде прерывистых выделений, но расположенных рядами.

Для штамповок сложной формы и с большой поверхностью, получаемых с помощью очень глубокой вытяжки, листы по нормам совершенно не должны содержать структурно свободного цементита (балл 0).

Для штамповок сложного профиля, получаемых с помощью очень глубокой вытяжки, можно применять листы с количеством цементита в пределах балла 1, а для штамповок, получаемых с помощью глубокой вытяжки — баллов 2 и 3. Листы, в которых цементит соответствует баллам 4 и 5 для глубокой вытяжки не применяются.

Микроструктура качественных листов для глубокой вытяжки должна содержать минимальное количество примесей, которые способствуют возникновению трещин при штамповке. Очень нежелательны шлаковые включения и частички шамота в виде грубых скоплений. Окисные (FeО, МnО, AI2O3) или сернистые (FeS, MnS) включения менее опасны, так как установлено, что они, мало снижают способность стали к глубокой вытяжке, если их размеры не превышают 0,1 мм. Более вредное влияние оказывают окись кремния SiO2 и другие кремнистые соединения. Небольшое количество тонких прерывистых включений не влияет на способность стали к глубокой вытяжке, в то время как скопления крупных включений часто приводят к расслою, вследствие чего при холодной штамповке в этих местах происходит разрыв листа даже при малых деформациях. Минимальное количество включений желательно в листах, предназначенных для фасонной штамповки специальных изделий с применением больших деформаций. Значительное влияние на способность стали к глубокой вытяжке оказывают величина, форма и однородность ферритных зерен. Ввиду того что одновременно требуются и высокие пластические свойства, и гладкая поверхность штамповки, оптимальная величина ферритных зерен является компромиссом между этими двумя требованиями.

Длительный опыт зарубежных металлургических заводов показал, что оптимальная величина зерна у листов толщиной 0,5-2,0мм находится в пределах 0,026 — 0,037мм, а у листов толщиной 2,0-5,0мм достигает 0,037-0,052мм, что соответствует баллу 5-7 .

В большинстве случаев для глубокой вытяжки пригодна и сталь с зерном величиной 0,018мм (балл 8). Очень мелкое зерно повышает упругие свойства и жесткость. Лист хуже штампуется, пружинит, на нем образуется волнистость и увеличивается сопротивление штамповке. В особенности это относится к толстым листам. Листы с зерном величиной, соответствующей баллам 7 и 8, очень хорошо штампуются, при этом поверхность штамповки остается гладкой. Листы с зерном баллов 5 и 6 также хорошо штампуются, но поверхность отштампованных деталей получается менее гладкой. Зерно балла 1-4 приводит к значительной шероховатости поверхности штамповок, которые напоминают по виду корку апельсина, а листы при штамповке часто разрушаются.

Листы для глубокой вытяжки должны также иметь зерно одного размера. В применяемых в настоящее время листах для глубокой вытяжки допускается различие в величине зерен, не превышающее трех ступеней, а у листов, предназначенных для очень глубокой вытяжки,- не больше двух ступеней. Неодинаковая величина зерен приводит к неравномерной деформации металла при глубокой вытяжке, что может привести в конечном счете к образованию трещин.

Лучше всего, когда ферритные зерна в металле имеют вытянутую форму (см рис 2.1 б), что достигается в сталях для глубокой вытяжки, успокоенных алюминием. Зерна такой формы обеспечивают большее сопротивление металла уменьшению толщины материала штамповки, что способствует достижению более значительной степени деформации. В остальных сталях, предназначенных для глубокой вытяжки, наиболее оптимальна равноосная форма ферритных зерен (см. рис. 2.1, а).

2.1.3 Требования к механическим свойствам

Исходя из многолетней практики, зарубежные стандарты устанавливают для полосовой стали, предназначенной для глубокой вытяжки, допустимые значения предела прочности, пластичности и глубины выдавливания (по Эриксену). В сталях, предназначенных для весьма глубокой вытяжки, устанавливаются также оптимальные значения предела текучести, твердости и отношения .Иногда желательно, чтобы материал подвергали испытанию на изгиб.

В табл.2.2 приведены значения механических свойств полосовой стали, предназначенной для глубокой вытяжки. Требуемые значения глубины выдавливания по Эриксену приведены и на рис. 2.4.

Микроструктура стали для вытяжкиМикроструктура стали для вытяжкиГостированные значения механических свойств полос, полученные при испытании на растяжение, обычно являются средними из значений, полученных в продольном и поперечном направлениях по отношению к направлению прокатки. Для штамповки фасонных симметричных деталей желательно, чтобы материал имел максимальное равенство механических свойств в обоих направлениях, что сводит к минимуму фестонистость («языки»), которая увеличивает отход при штамповке и вызывается анизотропией механических свойств листов. При штамповке фасонных несимметричных деталей, наоборот, плоскостная анизотропия механических свойств желательна. У материала для специальных видов штамповки требуются особенно высокие значения так называемой нормальной анизотропии, которая определяется отношением значений деформации по ширине и по толщине полосы при растяжении плоских образцов.

Микроструктура стали для вытяжки

Рис 2.4 Требуемые величины глубины выдавливания колпачка (по Эриксену) для сталей, предназначенных для глубокой вытяжки, в зависимости от толщины и качества полосы.

Из отдельных механических свойств на способность стали к глубокой вытяжке наибольшее влияние оказывает величина предела текучести . Опыт автомобильных заводов показал, что минимальный отход при штамповке имеют листы с удлинением δ10 >40%; твердостью ≤46 HR и отношением =≤0,7.

Практика заводов СССР показала, что качественные листы толщиной 1 —1,5 мм для глубокой вытяжки, предназначенные для штамповки специальных деталей, должны иметь< 200 Мн2 (20 кГ/мм2); < 320 Мн2 (32 кГ/мм2), δ10 >45%,а твердость равной 38-48 НR, в зависимости от того, находится лист в отожженном состоянии или после дрессировки. При малом содержании С, Mn и Si, ограниченной общей степени холодной деформации и оптимальной технологии можно получить малоуглеродистые стали для глубокой вытяжки со следующими свойствами: 280 Мн2 (28 кГ/мм2),160 Мн2 (16 кГ/мм2) δ10 = 40%.

Механічні властивості смугової сталі

для глибокої витяжки за нормами DIN (ФРН) і ГОСТам (СРСР))

Норма

Сталь

Призначення

Стан листа

στ

σВ

δ10

HR

30/100

Глуби-на видавюван-ня (по

Эрик-сену)

Мн2

кГ/мм2

Мн2

кГ/мм2

ГОСТ

9045 — 59

08 кп

08фкп

08Ю

Автомобіль-ний лист для дуже глибокої витяжки

Після

дресируван-ня

< 200

< 20

260 -330

26-33

> 44

< 0,66

< 45

Рис. 4. а,

крива 1

Автомобіль-ний лист для глибокої витяжки

< 210

< 21

260 -340

26 -34

> 42

< 0,70

< 48

Рис. 4. а,

крива 2

ГОСТ

914 — 56

05кп

08кп

08пс

10кп

Для дуже гли-бокої витяж-ки

Для глибокої витяжки

Після

відпалу

-

-

>

-

-

Рис. 4. б,

крива 1

-

-

>

-

-

-

-

>

-

-

Рис. 4. б,

крива 2

DIN

1624

Ст. 4

Для дуже гли-бокої витяж-ки

Після відпалу

-

-

280-380

28-38

>32

-

-

Рис. 4. в,

кривая 1

Після

дресируван-ня

-

-

300-400

30-40

>30

-

-

Ст.3

Для глибокої витяжки

Після відпалу

-

-

280-380

28-38

>29

-

-

Рис. 4. в,

крива 2

Після

дресируван-ня

-

-

300-400

30-40

>28

-

-

Кроме того, на способность стали к глубокой вытяжке большое влияние оказывает значение отношения. Низкое значение этого отношения говорит о том, что сталь имеет значительный ресурс пластичности и лист при штамповке будет мало пружинить и хорошо пластически деформироваться.

На очень хорошую способность стали к глубокой вытяжке можно рассчитывать, если 0,6; на хорошую- при = 0,65÷0,75 и на плохую – при >0,75.

При определенном химическом составе стали на величину приведенного отношения в основном влияет предел текучести: чем меньше предел текучести, тем меньше отношение .

Очень важно также обеспечить стабильность оптимальных механических свойств в промежуток времени между изготовлением полос и их штамповкой независимо от сезонных колебаний температуры. Так как нестабилизированные малоуглеродистые стали для глубокой вытяжки в холоднокатаном состоянии быстро стареют, то их обычно поставляют заказчику в отожженном виде.




Предыдущий:

Следующий: