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. 14.05.2013

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

Автомобилестроение является одним из крупнейших потребителей конструкционных материалов в мире. При этом рост требований к ресурсам формирует конкуренцию между производителями различных материалов, стимулирует прогресс в разработке их новых видов и повышение качества.

Несмотря на увеличение использования в автомобилестроении новых конструкционных материалов, ведущую роль в производстве продолжает играть стальной прокат. Так, в среднем на российский легковой автомобиль приходится 75% готового проката, метизов и стальных труб, а 25% составляют литейный чугун, цветные металлы, пластмасса, резина, стекло и прочие материалы. Уступая пластмассам и легким металлам по удельному весу, стальные изделия обеспечивают более высокую прочность и, соответственно, надежность и безопасность.
Во времена СССР потребление стали в отрасли было гораздо выше при сравнимых объемах выпуска автомобилей из-за использования более ресурсоемких технологий. Так, в 1990 г. при объеме производства автомобилей на уровне 1,82 млн. ед. потребление всех видов проката черных металлов составляло 3,64 млн. т, а в 2008 г., при сравнимом объеме производства (1,8 млн. ед.), потребление достигло лишь 2,5 млн. т.
Требования автомобилестроителей к стали являются составным элементом общих требований к современному автомобилю. С течением времени они претерпевают определенные изменения. Прежде всего, это связано с ростом требований к весу автомобиля: чем он меньше, тем экономичнее расходуется горючее, снижается нагрузка на окружающую среду, и появляется возможность добавлять больше опций и оборудования. Второе направление - повышение норм безопасности, выполнение которых требует максимального упрочнения силового каркаса кузова для защиты людей и деформируемости внешних элементов для поглощения удара. Третьим направлением является стоимость производства, последующего обслуживания и утилизации. Именно этот фактор обеспечивает сохранение лидирующих позиций стали в сравнении с другими материалами, поскольку сталь подвержена многократному рециклингу: старые транспортные средства можно утилизировать, и уже бывшую в эксплуатации сталь использовать для производства нового автомобиля.

Таким образом, автомобильная промышленность предъявляет к стали очень высокие требования, поскольку в первую очередь она должна удовлетворять двум диаметрально противоположным критериям. С одной стороны, требование по снижению массы изделий предполагает использование высокопрочных материалов, с другой - рост требований по технологичности производства предполагает использование высокопластичных материалов.
В зависимости от соотношения показателей прочности и пластичности (штампуемости), в настоящее время выделяют три основных класса холоднокатаных сталей для автопрома.
Во-первых, это мягкие стали (Mild steels), практически не отличающиеся по маркам от тех, что были освоены и выпускались еще во времена СССР, лишь с более жесткими требованиями к химическому составу, и так называемые стали IF (чистые низкоуглеродистые) и IS (изотропные). Они легко штампуются и применяются для изготовления внешних панелей. Категория мягких сталей до сих пор является наиболее распространенной для российской автомобильной промышленности. Мягкие стали используются в дверях, капоте, крыше, где требуется металл очень глубокой вытяжки. Основной недостаток обычных низкоуглеродистых сталей - пониженные показатели прочности: при аварии автомобиль, выполненный из таких сталей, очень сильно деформируется, вероятность получить травмы высока.
Во-вторых, это высокопрочные стали (High-strength steels, HSS). Прочность в них достигается не за счет иного химического состава, а в результате изменений кристаллической решетки металла (фазовых превращений), которые происходят в результате более сложной технологической обработки. В российских автомобилях стали повышенной категории прочности используются в основном для деталей силового каркаса машины, поскольку они должны выдерживать повышенные нагрузки.
С начала XXI века все большее применение в автомобиле находят так называемые особо высокопрочные стали (Advanced-high-strength steel, AHSS). В отличие от высокопрочных сталей, прочность и штампуемость в этом классе достигается наличием двух и более типов кристаллов (фаз) разной твердости. Достигается это еще более сложной механической и температурной обработкой.
В последнее время выделяют еще и четвертый класс - ультравысокопрочные стали (Ultra-high-strength steels, UHSS). К нему относят стали нового поколения, которые по сравнению с первыми тремя классами обладают большей прочностью при значительно лучшей штампуемости.

Структура используемых для производства автомобиля материалов в среднем в мире в 2007 г., %

Источник: Ducker Worldwide.

Примером использования высокопрочных и особо высокопрочных сталей в автомобиле может служить модель Audi Q5. Доля стандартных мягких сталей в кузове этого кроссовера составляет 31% (из них изготовлены особо сложные в штамповке элементы, а также внешние детали, поглощающие энергию при ударе), высокопрочных - более 44% (почти весь силовой каркас, защищающий пассажиров), особо высокопрочных - почти 25% (из них при -этом 9,1% ультравысокопрочных сталей нового поколения, которые используются в наиболее ответственных участках).

Применение высокопрочных сталей: Audi Q5

Источник: ММК.

По сравнению с иномарками, в автомобилях российских марок стали повышенных категорий прочности используются не так широко. Все кузовные детали российских автопроизводителей пока изготавливаются из низкоуглеродистых марок сталей. Высокопрочные идут на систему безопасности (внутренние детали). В моделях Lada Samara и Lada Kalina содержится около 5% и 18% деталей из сталей повышенной прочности соответственно. Для сравнения, в Европе, США, Японии в среднем кузов автомобиля содержит 40% деталей из таких сталей. Металл класса AHSS отечественными автозаводами не используется.

Материалы каркаса кузова Lada Kalina, %

Источник: ОАО «АВТОВАЗ».

Причины низкого уровня освоения высокопрочных сталей связаны с финансовыми трудностями автозаводов, заставляющими искать любые способы снижения затрат на материалы и комплектующие, а также невозможностью в одиночку решать технические проблемы, связанные с переходом на новые материалы. Любое значительное изменение структуры потребления осложняется необходимостью поиска средств на сопутствующую модернизацию оборудования и техоснастки.
Для отечественного автомобилестроения увеличение использования высокопрочных сталей является актуальной задачей. На фоне роста конкуренции со стороны зарубежных автопроизводителей АВТОВАЗ и другие производители традиционных российских марок заинтересованы в расширении применения высокопрочных сталей.

Поставщики стали для автопрома

Автомобильная промышленность потребляет следующие виды стальной продукции: листовой прокат без покрытий, сортовой прокат, оцинкованный прокат, трубы.
Листовой прокат подразделяется на холоднокатаный (70% в структуре потребления стали автомобильной промышленностью), из которого изготавливаются кузовные детали автомобилей, и горячекатаный травленый, предназначенный для производства деталей рамы, основания и днища автомобиля.
Основными поставщиками листового проката для автомобильной промышленности являются два металлокомбината: ОАО «ММК» и ОАО «Северсталь». Их доли в общем объеме поставок в российский автопром за январь-август 2010 г. составили 29% и 28% соответственно. Наравне с этими комбинатами ранее стратегическим поставщиком для автомобильной промышленности был ОАО «Новолипецкий металлокомбинат» (НЛМК). Однако в последние годы доля его поставок в российский автопром существенно -- сократилась. Если за период 2006-2010 гг. она составила 8,94 %, то за январь-август 2010 г. уменьшилась до 1,54%. Причиной значительного сокращения поставок НЛМК для предприятий автомобильной отрасли России стали высокие цены на продукцию - на 13-15% выше общероссийских.

	8 мес. 2010 г., отгрузки для автопрома, т.		2006-2010 гг., отгрузки для автопрома, т.	Доля поставщика, %
ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»
ОАО «Северсталь»
ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат»
ООО «Уральская сталь»
ЗАО «Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь»
ЗАО «Полистил»
ОАО «Косогорский металлургический завод»
ЗАО «Металлургический завод «Петросталь» - дочернее общество ОАО «Кировский завод»
ОАО «Златоустовский металлургический завод»
ОАО «Ижсталь»
ОАО «Металлургический завод им. А.К. Серова»
ОАО «Чусовской металлургический завод»
ОАО «Челябинский металлургический комбинат»
ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат»
ОАО «Первоуральский новотрубный завод»
ЗАО «Северсталь-метиз»
ОАО «Омутнинский металлургический завод»
ООО «Нигмас»
ОАО «Волжский трубный завод»
ООО «Камазавтотехника»
ОАО «Серовский завод ферросплавов»
Всего в автомобильную промышленность

Источник: Металлургический бюллетень, анализ Russian Automotive Market Research (НАПИ).

По данным за первые 8 месяцев 2010 г., поставки на АВТОВАЗ, предприятия Группы ГАЗ, КАМАЗ и «Соллерс» в структуре всех поставок в автопром России составили 89,27%.
Компания «Северсталь» отгрузила на Волжский автомобильный завод 156,4 тыс. т металлопроката (42% потребностей АВТОВАЗа), на предприятии Группы ГАЗ - 65,6 тыс. т (29,8%), на «Соллерс» 29,9 тыс. т (60,3%).
ММК за первые 8 месяцев 2010 г. осуществил поставки на АВТОВАЗ в размере 137 тыс. т (37,3% потребности завода), на КАМАЗ в размере 58,8 тыс. т (33,1%), на заводы Группы ГАЗ - 48,2 тыс. т (21,9%).

Прямые железнодорожные поставки на основные автомобильные заводы России 2006-2010 гг., т

					8 мес. 2010 г.
ОАО «АВТОВАЗ»
ОАО «УК «Группа «ГАЗ»
ОАО «КАМАЗ»
ОАО «Соллерс»

Источник: Металлургический бюллетень.

Одним из крупнейших поставщиков сортового проката для автопрома является Группа компаний «Мечел». Сортовой прокат поставляется на производство деталей ходовой части, двигателей, трансмиссии, рулевого управления и других деталей, работающих в условиях повышенных знакопеременных нагрузок, агрессивных средах и жестких условиях. В структуре группы на поставках в автомобильную промышленность специализируются ОАО «Челябинский металлургический комбинат» (ЧМК) и ОАО «Ижсталь». За первые 8 месяцев 2010 г. объемы их поставок в автомобильную промышленность составили 14141 т и 23541 т металлопроката соответственно.
Клиентами ЧМК являются АВТОВАЗ, Группа ГАЗ, УАЗ, КАМАЗ, УралАЗ, а также производители автобусов и автокомпонентов. Кроме того, ведутся поставки металлопроката в Республику Беларусь - на МАЗ и БелАЗ.
ЧМК оснащен современным оборудованием для внепечной обработки и разливки металла. Идет постоянная модернизация оборудования сталеплавильных цехов, вводятся в строй новые агрегаты вакуумирования и внепечной обработки металла для достижения качественных показателей стали мирового уровня.

Использование оцинкованного металла для производства автомобилей в России

Объем применения оцинкованного проката в производстве кузовных деталей мировых автопроизводителей в среднем уже превысил 90% от веса всего кузова автомобиля. В России оцинкованную сталь обычно используют для изготовления наиболее подверженных коррозии деталей автомобиля: днища и нижних кузовных деталей.
В настоящее время существует два основных вида нанесения покрытий, используемых в автомобилестроительной промышленности, - электролитическое цинкование (с односторонним и двусторонним покрытием) и метод горячего погружения (включая железоцинковое покрытие).
В странах Европы до 2000 г. преимущественно использовался электролитически оцинкованный (ЭЦ) металл. Однако уже с середины 90-х гг. XX в. началось его вытеснение горячеоцинкованной (ГЦ) сталью, и в 2008 г. ГЦ-сталь стала занимать уже 70% от веса кузова легкового автомобиля, в то время как доля ЭЦ-стали сократилась до 11%. Увеличение объема применения ГЦ-проката в первую очередь связано с меньшей себестоимостью его изготовления по сравнению с ЭЦ-прокатом и, соответственно, меньшей ценой. Однако электролитически оцинкованная сталь обладает рядом преимуществ по сравнению с методом горячего цинкования.
Электролитический способ цинкования позволяет в широком диапазоне весьма точно регулировать толщину и свойства осажденного слоя цинка. Таким способом можно наносить одностороннее или двустороннее покрытие, дифференцированно накладывать толщину цинка, что невозможно при использовании метода горячей оцинковки. Покрытие получается мелкокристаллическим, надежно сцепленным со стальной основой, что сложно достижимо при горячем цинковании высокопрочных сталей. ЭЦ практически не изменяет механические свойства стальной основы тонколистового холоднокатаного проката - это позволяет использовать в автомобилестроении более дешевые конструкционные стали для изготовления сложных деталей, так как сохраняется высокая пластичность металлической основы. На аналогичные детали, изготавливаемые из ГЦ-проката, предпочтительно использовать в качестве металлоосновы IF-стали. К преимуществам метода ЭЦ следует отнести и то, что сцепление ЭЦ-металла и черного проката на один-два балла выше, чем у горячего цинка. Кроме того, у ЭЦ-проката очень хорошая адгезия - на таком металле будут долго держаться лакокрасочные покрытия.
На российском рынке производителями оцинкованного проката являются «Северсталь», НЛМК, ММК и «Полистил». Все они поставщики оцинкованного проката для автомобильной промышленности. Однако производителем электролитически оцинкованной стали является только ЗАО «Полистил». Все остальные заводы оцинковывают сталь методом горячего погружения.
Продукция «Полистил» поставляется на АВТОВАЗ (для моделей Priora, Kalina). Клиентами завода являются также GM-АВТОВАЗ (Chevrolet Niva), Запорожский автомобильный завод (Lanos), ПАЗ; ведется работа по согласованию в техническом плане с заводом Volkswagen в Калуге, направлено предложение по сотрудничеству на «Автофрамос» для производства автомобилей марки Renault, а также в Группу компаний «Соллерс».
Продукция «Полистил» используется для штамповки как внутренних, так и внешних деталей автомобиля. Это связано с тем, что основной потребитель оцинкованной стали - АВТОВАЗ - использует односторонний электрооцинкованный прокат для производства лицевых деталей кузова автомобиля.
Увеличение потребления более экономичного ГЦ-проката сопряжено с определенными сложностями. Все оборудование на АВТОВАЗе специализировано для работы с ЭЦ-прокатом. ГЦ-покрытие на штампах завода отслаивается, шелушится. Для устранения этих недостатков необходимо хромировать рабочие части штампов. Хромирование осуществляется в Голландии, где есть специальная установка. При сварке кузовов из горячего цинка также возникают проблемы.
В целом доля металла с покрытием в кузове отечественных автомобилей Lada старого модельного ряда составляет не более 7%. В новых моделях семейства автомобилей Lada Priora, Chevrolet Niva, Kalina использование оцинкованных сталей достигает 50%. В будущем, по мнению самих автопроизводителей, эта доля будет только увеличиваться.
На сегодняшний день со сталями с покрытиями может работать только АВТОВАЗ. На всех остальных автозаводах, где производятся российские марки, оцинкованная сталь практически не используется. Это вполне объяснимо: в технологии выпускаемых остальными российскими заводами моделей автомобилей заложено использование сталей без покрытий.

Массовая доля оцинкованного проката в кузовах автомобилей ВАЗ-2170 (Lada Priora), ВАЗ-1118 (Lada Kalina)

Источник: ОАО «АВТОВАЗ».

Площадь оцинкованной поверхности кузовов автомобилей ВАЗ-2170 (Lada Priora), ВАЗ-1118 (Lada Kalina)

Источник: ОАО «АВТОВАЗ»

Потребление оцинкованного проката, который включает в себя ЭЦ- и ГЦ-прокат, в автомобильной отрасли России не превышает 100 тыс. т в год. При этом доля горячеоцинкованного проката составляет в настоящее время лишь 20%. Потенциал данного сегмента рынка в разы превышает уровень его потребления за счет открытия на территории России производств Ford, Renault, Toyota, Nissan, Volkswagen, GM и др.
Все лицевые детали автомобилей иностранного производства выполняются из оцинкованного проката, в настоящее время происходит переход от марок сталей с глубокой вытяжкой в сторону ее увеличения. Соответственно, требования к металлопрокату у иностранных производителей выше.
В отличие от иностранных производителей, российские автомобильные заводы пока не могут перерабатывать продукт с покрытиями в массовом производстве. Между тем, в проектах новых автомобилей эти новые виды стали заложены.
Таким образом, в ближайшие годы в России можно прогнозировать повышенный спрос на оцинкованную сталь со стороны автопроизводителей. Что касается метода цинкования, то наиболее востребован будет ГЦ-прокат. Горячеоцинкованные стали среди сталей с покрытием являются технико-экономическим компромиссом для автомобильной промышленности. Применение данного типа позволяет достигать высоких антикоррозийных показателей при меньших общих за-тратах по сравнению с тем прокатом, который применялся ранее.

Трубы для автомобильной промышленности

В конструкции автомобиля трубы используются в системах выхлопа, передней подвески, рулевого управления, ходовой части, для деталей тормозной системы, для топливной аппаратуры дизельных двигателей, для деталей подъема кабины, карданного вала, радиатора, топливного бака и др.
В зависимости от назначения для этих систем используются впускные, выхлопные, нагнетательные, перфорированные и др. трубы. В зависимости от технологии изготовления трубы, используемые в автомобильной промышленности, делятся на горячекатаные, стальные бесшовные холоднодеформированные трубы углеродистых и низколегированных марок стали средних и крупных размеров, тянутые, термообработанные и упрочненные, подшипниковые и др.
Во второй половине 2010 г. заказы труб для автопрома стремятся к восстановлению объемов докризисного периода.
Трубы для автомобильной промышленности в России поставляют Волжский трубный завод, Объединенная металлургическая компания и другие предприятия, однако крупнейшей группой компаний, которая специализируется на поставках трубной продукции в автомобильную промышленность России, является Группа компаний ЧТПЗ. Трубы и трубная продукция ЧТПЗ используются при выпуске всех моделей автомобилей ВАЗ, для марок ГАЗ, УРАЛ, КАМАЗ, СААЗ, МАЗ и др. В структуре группы трубы для автопрома поставляют ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» (ЧТПЗ) и ОАО «Первоуральский новотрубный завод» (ПНТЗ). За первые 8 месяцев 2010 г. ПНТЗ поставило в автопром 6908 т труб. Группа ЧТПЗ планирует увеличивать объемы поставок для автопрома и проводит мероприятия по модернизации мощностей, в первую очередь, направленные на обеспечение точности геометрических размеров труб, а также получение требуемых механических свойств и качества поверхности.
К трубам автозаводы предъявляют технические требования, определяющие уровень качества продукции. По этому критерию различают три группы показателей:
. геометрические (для автопрома - повышенная точность геометрических размеров, нормированная перпендикулярность торцов труб);
. внешнего состояния поверхности (для автопрома повышенные требования к качеству наружной и внутренней поверхностей: светлая поверхность, без окалины, без остатков подсмазочных покрытий, без следов ремонта, с консервацией);
. физико-химических свойств (для автопрома - ограниченный диапазон показателей механических и технологических свойств). Кроме того, для ряда труб предусмотрен неразрушающий контроль сплошности поверхности труб (вихретоковой метод).

Производство штампованных автокомпонентов в России российскими и иностранными предприятиями

В последнее время в стране открылось несколько производств штампованных автокомпонентов для иномарок в России.
В Санкт-Петербурге на площадке в Колпино в ноябре текущего года ЗАО «Интеркос-IV», входящее в Группу компаний ММК, планирует ввести в эксплуатацию первую очередь сервисного металлоцентра и завода по изготовлению штампованных деталей. Листовые заготовки, штампованные детали и штампосварные элементы предназначены, в том числе, для кузовного производства на строящихся и действующих автомобильных заводах, таких как предприятия Ford Motor Company, General Motors Company, Nissan Motor, Hyundai Motor Company, Renault Group и др.
Также на территории Санкт-Петербурга открыла два новых производства компания Cosym - совместное предприятие, образованное в 2006 г. Cosym International в структуре компании Magna International и Shin Young Metal Ind. Co., крупнейшего южнокорейского поставщика штампованных деталей, сварных узлов и инструментальной оснастки. На заводе Cosym в промзоне Шушары производят кузовные детали для ходовой части и металлические элементы систем пассивной безопасности для таких автопроизводителей, как Hyundai, General Motors, Nissan и Volkswagen. Второе предприятие Cosym в Каменке производит сборку узлов для кузовов Hyundai.
Кроме того, корейский автоконцерн Hyundai Motor Company официально запустил предприятие «Хендэ Мотор Мануфактуринг Рус» (ХММР) в Санкт-Петербурге. Его запуск состоялся в сентябре 2010г. Предприятие стало первым иностранным автопроизводителем, обладающим собственным цехом штамповки на территории РФ.
В апреле 2009 г. во Всеволожске был пущен в эксплуатацию новый завод ООО «Стадко» по производству деталей для компании Ford. Состоялись предварительные переговоры с компаниями Nissan и Toyota.
Кроме того, 13 июля 2010 г. в Калужской области в индустриальном парке «Грабцево» состоялось открытие штамповочного производства «Гестамп-Северсталь-Калуга» и сервисного металлоцентра «Северсталь-Гонварри-Калуга», основными потребителями которых станут Volkswagen, PSA Peugeot Citroën, Renault-Avtoframos. Сервисный металлоцентр «Северсталь-Гонварри-Калуга» - совместное российско-испанское предприятие двух мировых лидеров в области производства и обработки металла «Северсталь» и Gonvarri. Штамповочное производство СП «Гестамп-Северсталь-Калуга» - совместное испано-российское производственное предприятие, основными участниками которого являются испанский Gestamp Automocion и «Северсталь».

Перспективы развития металлургической отрасли для автомобильной промышленности

К настоящему времени в области металлопотребления автомобильной промышленностью сложилась следующая ситуация.
Отечественный автопром потребляет преимущественно традиционные мягкие стали, обеспечивая свои потребности продукцией с российских металлургических заводов, тем не менее, в перспективных моделях автомобилей возрастет доля высокопрочных сталей.
Российские сборочные заводы иностранных моделей легковых автомобилей уже активно потребляют высокопрочные стали. Несмотря на открытие штамповочных производств в России, большую часть своих потребностей иностранные производители пока обеспечивают за счет импорта металла в виде готовых автокомплектов. Возможность локализации кузовной штамповки в России осложняется практическим отсутствием качественного проката требуемого сортамента на российских металлургических пред-приятиях.
Таким образом, со стороны и российских, и иностранных автозаводов можно констатировать возросшую потребность в сталях повышенных категорий прочности.
Однако в настоящее время в России объем производства высокопрочных сталей очень мал, а особо- и ультравысокопрочные не производятся, и требуются немедленные усилия, направленные на освоение выпуска такой продукции.
Понимая, что в стране появляется высокий спрос на новые виды сталей, металлургические заводы ведут разработки в области повышения качества проката и освоения производства новых перспективных марок сталей.
Так, на Череповецком металлургическом комбинате, входящем в группу «Северсталь», в рамках программы клиентоориентированности приступили к строительству нового агрегата продольной резки автолиста для холодно- катаного проката, общей стоимостью 570 млн. руб. Решение о реализации данного проекта принято в целях дальнейшего улучшения качества выпускаемого автолиста, главным образом, первой группы поверхности, увеличения доли поставок для автопрома, в том числе иностранным компаниям, локализующим производство автокомпонентов в России. Достижение этих целей обеспечит комплекс оборудования, которым будет дополнен агрегат. В частности, в составе агрегата предусмотрен участок инспекции полосы, где будет производиться постоянный контроль поверхности полосы с верхней и нижней стороны на наличие дефектов. Это позволит гарантировать 100%-ное качество автолиста в рулоне. На агрегате будет производиться порезка холоднокатаного металла толщиной от 0,45 мм до 2,0 мм, предназначенного для производства лицевых деталей автомобиля. Пуск агрегата годовой производительностью 200 тыс. т намечен на 1 квартал 2011 г.
Гораздо более масштабные нововведения осуществляются в настоящее время на ММК. Для освоения развивающегося рынка высокопрочных и особо высокопрочных сталей, в Магнитогорске идет реализация инвестиционного проекта «Строительство комплекса холодной прокатки» стоимостью 1,5 млрд. долл. Основное назначение комплекса - производство высококачественного холоднокатаного и оцинкованного проката по передовым технологиям для производства внешних и внутренних деталей автомобилей. Комплекс холодной прокатки рассчитан на выпуск и обработку низкоуглеродистой, высокоуглеродистой и высокопрочной стали, прежде всего, для автопрома. Это будет импортозамещающая продукция - автолист такого качества в России пока не производят. Ориентировочный объем производимой продукции в новом комплексе холодной прокатки составит: 700 тыс. т в год оцинкованной продукции в рулонах, 400 тыс. т в год холоднокатаной продукции в рулонах, 900 тыс. т в год холоднокатаной нагартованной продукции в рулонах.
Первая очередь комплекса (непрерывная травильная линия, совмещенная с 5-клетьевым станом холодной прокатки) производительностью 2100 тыс. т. в год будет введена в строй в июле 2011 г. Вторая очередь (линия непрерывного горячего цинкования, комбинированная линия горячего цинкования с линией непрерывного отжига, линия перемотки и инспекции полосы, линии упаковки) вступит в строй в 2012 г.
Пуск данного стана позволит немедленно предложить российским автомобилестроителям полный сортамент холоднокатаного листа из сталей повышенной прочности, необходимый для организации производства новых моделей. Новый комплекс холодной прокатки ММК способен полностью закрыть все виды требуемых российскими автозаводами товарных позиций, как по марочному составу и механическим свойствам, так и по размерам. Сортамент, который можно будет производить на данном оборудовании, позволит закрыть также большинство потребностей мировых автопроизводителей, действующих на территории РФ.
ММК уже начал проводить активные консультации по акцептации металлопроката с крупными производителями автомобилей и комплектующих, действующих на территории РФ. Продукцию с нового комплекса холодной прокатки ММК готов поставлять уже в 2011 г. Вначале она будет поставляться на экспорт. Перспективными партнерами сейчас выступают Stadco (штампованные детали для Ford), Matador (штамповка для Volkswagen), Benteler (комплектующие) и Hayes Lemmerz (колеса штампованные из горячекатаного листа). По прогнозам ММК, через пару лет рынок в России будет готов потреблять эту продукцию в не меньших объемах.
Основным институтом, осуществляющим при взаимодействии с металлургическими заводами научно-исследовательские работы по созданию и освоению производства новых, а также повышению качества существующих металлических материалов для автомобилестроения в России, является ЦНИИчермет им.И.П. Бардина.
В настоящее время в ЦНИИчермете проводятся научно-исследовательские работы в направлении создания листовых горяче- и холоднокатаных сталей повышенной прочности и коррозионной стойкости. На российских металлургических предприятиях при участии ЦНИИчермета происходит освоение технологии производства горячекатаного, а также холоднокатаного без покрытия и с покрытием высокоштампуемого проката из двухфазных феррито-мартенситных сталей повышенной прочности. ЦНИИчермет совместно с компанией «Северсталь» осваивает технологию получения горячекатаной двухфазной феррито-мартенситной стали на стане «2000». Проведены успешные эксперименты по получению горячекатаной двухфазной стали в условиях НЛМК. Показана возможность получения горячекатаных двухфазных сталей на стане «2000» ММК.
В ЦНИИчермете также ведутся работы в направлении повышения коррозионной стойкости стали. В институте была разработана и освоена технология цинкования с нерастворимыми анодами, позволяющая обеспечить двукратную интенсификацию процесса, снизить расход электроэнергии при нанесении покрытия, исключить энергоемкую операцию выплавки анодов и улучшить качество и коррозионную стойкость покрытия. Процесс высокоскоростного цинкования внедрен на линии электролитического цинкования ООО «ПФК Проминдустрия». К преимуществам такого метода можно отнести высокую производительность, низкие эксплуатационные расходы, высокое качество покрытия на полосе, а также универсальность и простоту нанесения одностороннего и двухстороннего покрытия, покрытий сплавами цинка.
Кроме того, в ЦНИИчермет был создан принципиально новый подход к процессу горячего цинкования. Совместно с SMS Demag ЦНИИчерметом был разработан процесс «Вертикаль», который не имеет аналогов в мире. Он заключается в использовании магнитогидродинамического затвора для удержания жидкого металлического расплава в процессе нанесения горячих покрытий при вертикальном прохождении полосы через ванну с жидким расплавом. На модуле «Вертикаль» защитное антикоррозионное покрытие наносится на полосу из расплавов цинка, алюминия и их сплавов без традиционного погружного оборудования. Стальная полоса проходит вертикально через щель в днище ванны с расплавом металлопокрытия, который удерживается от вытекания магнито- гидродинамическим затвором. Процесс «Вертикаль» позволяет получать высококачественный автомобильный лист с повышенными пластическими свойствами покрытия за счет сокращения продолжительности цинкования. Технология обеспечивает возможность быстрого перехода с одного вида покрытия на другой (цинкование, алюминирование, покрытие сплавами Zn-Al и др.). К другим преимуществам данного процесса можно отнести исключение быстроизнашиваемого погружного оборудования из нержавеющей стали, увеличение производительности процесса на 10-15%, улучшение качественных показателей выпускаемой продукции.
Также в ЦНИИчермете совместно с АВТОВАЗ для повышения эффективности использования сортового проката для деталей двигателя и трансмиссии ведется разработка и освоение производства экономнолегированных марок конструкционных сталей с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами. В целях снижения массы и повышения надежности работы данных узлов автомобиля в ЦНИИчермете была осуществлена разработка состава экономно легированных конструкционных сталей с требуемым уровнем прочности и запасом вязкости (микролегирование стали ферросплавами, нитридо- и карбидообразующими элементами при пониженном на 30-50% содержании никеля). Уникальное сочетание физико-механических и коррозионных свойств, присущее нержавеющим сталям, не может быть достигнуто на сплавах других систем легирования.
В число других направлений работы ЦНИИчермета входят следующие области изучения:
. разработка и освоение технологий получения наноструктур в объеме и на поверхности металлоизделий из конструкционных сталей и сплавов;
. разработка экономно легированных нержавеющих сталей и сплавов для выхлопных систем автомобиля;
. разработка жаропрочных сталей и сплавов для деталей двигателя, работающих в условиях высоких температур.
Согласно прогнозу ММК, потребность российской автомобильной промышленности в холоднокатаном листовом прокате, который занимает около 70% используемого предприятиями российского автопрома металлопроката, в 2015 г. будет составлять 2183 тыс. т, потребность в оцинкованном прокате превысит уровень в 1 млн. т.

MODERN HIGH-TECH 05ХГБ STEEL INTENDED FOR THE MANUFACTURE OF WELDED OIL AND GAS PIPES WITH IMPROVED OPERATIONAL RELIABILITY

D. KUDASHOV, G. SEMERNIN, I. PEIGANOVICH, ITC «Vyksa metallurgical plant» JSC, L. EFRON, P. STEPANOV, S. MOKEROV, CPTR «United metallurgical company» JSC (OMK)

Специалисты инженерно-технологического центра АО «ВМЗ» разработали новую трубную сталь для сварных нефтегазопроводных труб повышенной коррозионной стойкости и эксплуатационной надежности. Разработана технология производства, позволяющая гарантированно обеспечивать высокий уровень свойств основного металла и сварного соединения труб. Результаты масштабных испытаний новой стали, в том числе в условиях эксплуатации, свидетельствуют о том, что при большей технологичности трубы из новой стали по своей коррозионной стойкости в различных средах превосходят лучшие из известных аналогов.

The engineering and technology center of «VSW» JSC has developed a new pipe welded steel for oil-gas pipes with increased corrosion resistance and operational reliability. The developed technology of production, which guarantee to provide a high level of properties of base metal and welded joints of pipes. The results of large scale tests of new steel, including under operating conditions, indicate that the greater the processability of the pipes of the new steel for its corrosion resistance in various environments surpass the best of the known analogues.

Растет потребность отечественных нефтегазодобывающих компаний в нефтегазопроводных трубах, отличающихся повышенной коррозионной стойкостью. В нормативно-технической документации, как правило, требования к коррозионной стойкости нефтегазо­проводных труб из низколегированных сталей ограничиваются узким перечнем испытаний: стойкость к водородному растрескиванию (HIC), сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (SSC) и общей коррозии (ОК). Положительные результаты указанных испытаний свидетельствуют лишь о стойкости продукции к коррозионному растрескиванию, связанному с воздейст­вием высокого парциального давления сероводорода. Подобные условия на территории России встречаются локально в разных регионах, а коррозионные поражения, вызванные сероводородным растрескиванием, не массовые. Таким образом, соблюдение данных требований зачастую не гарантирует высокой эксплуатационной надежности продукции в разных условиях.
Важнейшим условием обеспечения долговечности трубопровода, повышения наработки на отказ (срока безаварийной эксплуатации) является гарантированное качество каждой из его составляющих. Существенную роль играет технологичность продукции. Нефтегазопроводные трубы из низколегированных сталей, применяемые сегодня крупнейшими нефтегазодобывающими компаниями РФ, порой не технологичны. Согласно последним исследованиям, проведенным совместно с НИЦ «Термохимия материалов» (НИТУ МИСиС), в процессе сварки таких сталей, как 13ХФА и 09ГСФ, образуется ряд тугоплавких окислов, не всегда удаляемых из сварного соединения, что негативно сказывается на качестве.
Недостаточно эффективно в условиях контролируемой прокатки рулонного и листового проката и микролегирование стали ванадием, необходимое для обеспечения требуемого химического состава данных марок стали. Микролегирование дает лучшее качество при производстве бесшовных труб.

Разработка новой марки стали

В 2010 г. специалисты АО «ВМЗ» с привлечением ведущих научно-исследовательских организаций приступили к разработке инновационной трубной марки стали, которая должна отвечать следующим требованиям:
– иметь наиболее востребованный класс прочности (К52);
– быть хладостойкой до -60 °С;
– быть коррозионно стойкой в различных средах;
– иметь хорошую свариваемость как в условиях завода, так и в полевых условиях;
– обладать высокой технологичностью.
Требования к механическим свойствам труб представлены в табл. 1.
Всему комплексу требований отвечает низкоуглеродистая сталь с системой легирования на основе марганца, кремния, хрома и микролегирования на основе ниобия. Строгое ограничение содержания углерода позволяет обеспечивать оптимальную микроструктуру, гарантирующую высокую хладостойкость и стойкость к коррозионному растрескиванию в сероводородсодержащих средах (HIC, SSC). В сталь 05ХГБ введен хром для повышения ее стойкости к углекислотной коррозии. Пониженное содержание углерода в стали повышает эффективность добавки хрома.
Проведенные в ООО «ИТ-Сервис» сравнительные испытания на стойкость к углекислотной коррозии образцов труб из стали 13ХФА и 05ХГБ свидетельствуют, что продукты коррозии одинаково представлены карбонатом железа и хромсодержащими соединениями (в основном – Cr(OH)3) (рис. 1). Толщина продуктов коррозии составляет 15 – 32 мкм в обоих случаях.
По сравнению с 09ГСФ и 13ХФА сталь 05ХГБ отличается повышенным, но в то же время ограниченным содержанием марганца. Увеличенное содержание марганца необходимо для повышения технологичности сварки без потери стойкости к водородному растрескиванию. В соответствии с литературными данными (R. Pöpperling), сталь с содержанием углерода 0,06 % может содержать до 1,20 % марганца без ухудшения ее стойкости к растрескиванию. В то же время повышение содержания марганца по сравнению со сталью 13ХФА позволяет обеспечивать стабильный уровень механических свойств при более низком содержании углерода, а также увеличить соотношение /, важное с точки зрения свариваемости, в особенности при сварке ТВЧ (HFW).
Одним из основных микролегирующих элементов стали 13ХФА является ванадий. Данная система микролегирования наиболее эффективно обеспечивает прочность и вязкость стали после проведения термической обработки по режиму «закалка + отпуск». Для обеспечения механических свойств стали 05ХГБ в условиях контролируемой прокатки ванадий заменен на другой карбидообразующий элемент – ниобий. Исследования сварных соединений труб из стали 13ХФА и 05ХГБ, а также выполненный термодинамический анализ свидетельствуют, что при сварке ТВЧ стали 13ХФА образуются более тугоплавкие окислы. Это связано с отличиями в химическом составе стали: в содержании углерода и отношении концентраций марганца и кремния (табл. 2).
Благодаря возможности достижения благоприятного соотношения / в стали 05ХГБ, при сварке ТВЧ образуются более легкоплавкие окислы. В связи с этим возможно увеличение содержания хрома до 1 % без ухудшения качества сварного соединения.
Впервые при разработке химического состава стали учитывались особенности производства электросварных труб сваркой ТВЧ и особенности эксплуатации, в связи с чем пришлось решать ряд принципиальных вопросов производства проката и высококачественной заготовки по схеме производства литейно-прокатного комплекса: в том числе – формирования бездефектной заготовки, снижение ликвации в осевой зоне сляба, получение сверхнизкого содержания серы (менее 0,002 масс. %) и формирования мелкозернистой структуры в готовом прокате. Был разработан и реализован ряд технологических решений: оптимизация состава шлака для прохождения глубокой десульфурации; модифицирование расплава редкоземельными металлами; подбор режимов вторичного охлаждения и мягкого обжатия при разливке; ускоренное охлаждение раската после черновой стадии; ускоренное охлаждение проката на отводящем рольганге перед смоткой в рулон. В результате проведенных мероприятий трубы из данной марки стали наряду с высокой коррозионной стойкостью обладают повышенным ресурсом по хладостойкости (рис. 2). Значительное снижение показателей ударной вязкости наблюдается только при температурах ниже -80 °С. При этом доля вязкой составляющей в изломе находится на уровне 80 – 100 % до – 70 °С. Такие показатели открывают потенциал стали для применения при разработке арктических месторождений.

Оценка коррозионной стойкости

Проблема обеспечения коррозионной стойкости неф­тегазопроводных труб из низколегированных сталей осложняется многообразием механизмов коррозионного разрушения в условиях эксплуатации, а также ограниченностью лабораторных методов оценки, позволяющих прогнозировать данную характеристику. Несмотря на это при разработке новых видов продукции в сегменте нефтегазопроводных труб повышенной коррозионной стойкости необходимо оценивать реальный уровень данного показателя. Программа-минимум в данном случае – сравнение коррозионной стойкости с существующими аналогами, максимум – определение с достаточной точностью наработки на отказ труб (срок безремонтной эксплуатации) для конкретных условий или региона.
Разумеется, невозможно объективно оценить коррозионную стойкость продукции из низколегированной стали при помощи одного определенного метода. По характеру и условиям проведения существующие способы оценки коррозионной стойкости можно разделить на: 1) лабораторные испытания; 2) стендовые испытания в модельных средах; и 3) опытно-промышленные испытания.
При преимуществах и недостатках каждого из них использование комплекса методов дает относительно объективную картину. Разработанная сталь 05ХГБ прошла огромный путь – от лабораторных коррозионных испытаний до опытной эксплуатации действующего трубопровода.

Стендовые испытания

Перспективным направлением считается применение стендовых испытаний в лабораторных установках, имитирующих условия эксплуатации. Принципиальная схема установки, созданной специалистами ГУП «ИПТЭР», в которой испытывались на коррозионную стойкость трубы из стали 05ХГБ в сравнении с аналогами, – на рис. 3.
Моделируя условия эксплуатации трубопроводов и их воздействие на материал, испытания проводили 14 – 30 сут, непрерывно производя контроль фоновой скорости коррозии при помощи метода LPR. При правильном подборе испытательной среды такой экспозиции достаточно для реализации механизмов общей и локальной коррозии. На рис. 4 представлены микрофотографии поверхности образцов после испытаний продолжительностью 14 сут в модельной среде. Видны локальные язвенные повреждения.
Модельные среды разрабатывались на основании анализа эксплуатационных характеристик действующих трубопроводов. Учитывались скорость потока, давление, температура, расход жидкости и компонентный состав смеси коррозионно-активных газов (табл. 4).
Принцип испытаний состоит в том, что подготовленные надлежащим образом образцы сталей устанавливаются в испытательные ячейки модели трубопровода (рис. 3, поз. 1). Буферная емкость (рис. 3, поз. 2) заполняется моделью минерализованной подтоварной воды. На компьютере задаются параметры модели в части обеспечения нужного парциального давления наиболее коррозионно-активных компонентов (H2S и CO2). При необходимости задаются количество растворенного в воде кислорода, а также механических примесей. Скорость жидкости регулируется частотным преобразователем, который воздействует на частоту вращения центробежного насоса и измеряется ультразвуковым расходомером. Температура поддерживается с помощью блока терморегулятора, оснащенного нержавеющим ТЭНом и термодатчиком. Через заданное количество времени образцы извлекаются, и путем замера остаточной массы определяется скорость коррозии в мм/год. Скорость локальной коррозии определяется путем оценки глубины питингов/язв методом двойной фокусировки на оптическом микроскопе.
Преимущество данного метода оценки коррозионной стойкости состоит в возможности прогнозировать эксплуатационную надежность материала в тех или иных условиях. То есть в отличие от натурных испытаний, где кроме подтоварной воды присутствует в различном соотношении нефтяная и газовая фракции, в данном случае агрессивная среда в равной степени воздействует на образцы весь период испытаний. При этом исключаются обстоятельства, связанные с эксплуатацией трубопроводных систем (неоднородность среды, отключение, ингибиторная защита, кислотная обработка и т.д.). С целью определения влияния химического состава стали и состояния поставки на коррозионную стойкость в различных условиях были проведены несколько серий испытаний образцов различного сортамента (табл. 3).
Результаты сериальных коррозионных испытаний в модельных средах (не менее двух повторений по три образца для каждой среды) свидетельствуют, что выбор марки стали очень важен для обеспечения коррозионной стойкости в разных условиях. При этом сталь 05ХГБ по средним показателям общей и локальной коррозии незначительно уступает стали 08ХМФЧА, но превосходит все остальные испытанные марки стали (рис. 5). Наиболее важно то, что образцы из 05ХГБ в различных средах показывали стабильно наиболее низкие скорости коррозии.

Натурные испытания

Несмотря на ряд преимуществ, данные исследования направлены на оценку коррозионной стойкости материала, а не изделия. В этой связи натурные испытания играют неотъемлемую и наиболее важную роль при прогнозировании эксплуатационной надежности нефтегазопроводных труб.

Как правило, применяются два типа испытаний: гравиметрические с использованием образцов-свидетелей и байпасные с применением испытательных катушек (патрубков). При оценке коррозионной стойкости труб из стали 05ХГБ применялись оба типа испытаний.
Наиболее показательны байпасные коррозионные испытания, так как в данном случае можно прогнозировать целесообразность применения изделия, а не только материала. Основной недостаток подобных испытаний заключается в их продолжительности, измеряемой, как правило, годами. В то же время использование определенных подходов позволяет существенно сократить срок экспозиции. В частности, к ним можно отнести:

– выбор объекта для монтажа байпасного стенда с гарантированно высокой фоновой скоростью коррозии;
– предварительный мониторинг фоновой скорости коррозии методами LPR или ER с использованием средств телеметрии;
– мониторинг остаточной толщины стенки испытательных и контрольных катушек с определенной периодичностью, устанавливаемой в зависимости от агрессивности перекачиваемой среды;
– контроль за состоянием объекта (исключение ингибиторной обработки в период проведения испытаний и т.д.).
Использование данного подхода позволяет сократить срок испытаний до 10 – 12 месяцев с получением результатов, достаточных для прогнозирования целесообразности применения продукции в данных условиях.
В настоящее время завершены байпасные коррозионные испытания в двух регионах: в Западной Сибири испытания проводились в условиях двух месторождений АО «Газпром нефть–Ноябрьскнефтегаз», в Республике Коми – в условиях двух месторождений ООО «ЛУКОЙЛ- Коми» (табл. 5).
Проведенные расчеты динамики локальной коррозии, основанные на данных диагностики остаточной толщины стенки, свидетельствуют, что наиболее активен коррозионный процесс в начальной стадии.
Расчет скорости осуществляли по формуле (1):
VTi = VT1 x (Ti – T1)-0,33619459, (1)
где VTi – скорость локальной коррозии в i-й момент времени эксплуатации (мм/год);
VT1 – скорость локальной коррозии в начальный период эксплуатации (мм/год);
Ti – i-й момент времени эксплуатации (сутки);
T1 – начальный момент эксплуатации (сутки).
В обоих из рассмотренных вариантов получено, что скорость локальной коррозии стали 05ХГБ во весь период испытаний ниже, чем сравнительных образцов.

Авторы выражают благодарность коллективам ГУП «ИПТЭР», ООО «ИТ–Сервис», ФГУП «ЦНИИчермет», НИЦ «Термохимия материалов», ООО «Самарский ИТЦ»,
ООО «Сибнефтегаздиагностика», ФГУП «ВНИИК», ООО «ПечорНИПИнефть» и др.
за помощь в проведении исследований.

По итогам проведенного комплекса испытаний, подтвердивших высокие служебные характеристики труб из стали 05ХГБ, данная продукция была одобрена для применения в ряде отечественных нефтегазодобывающих компаний. В настоящее время проводится опытно-промышленная эксплуатация трубопроводов из стали 05ХГБ. Опытная эксплуатация сопровождается авторским надзором со стороны АО «ВМЗ», включая проведение внутритрубной диагностики. Специалистами АО «Выксунский металлургический завод» полностью разработана сквозная технология производства проката и труб из стали 05ХГБ диаметром 159 – 530 мм и толщиной стенки 5 – 12 мм, гарантирующая стабильно высокий уровень показателей качества и надежности.

Среди большого числа отраслей промышленности и направлений применения стали, разработка и использование сталей с высокими эксплуатационными характеристиками способствуют снижению выбросов парниковых газов.

Сталь является одним из самых эффективных современных строительных материалов. Она обладает самым высоким отношением предела прочности к массе среди традиционных материалов, а также очень износоустойчива. В настоящее время используется свыше 20 млрд тонн стали в виде самых разнообразных изделий. Сталь может бесконечно подвергаться повторной переработке, позволяя создавать новую продукцию из старой без какой-либо потери прочности, пластичности или любых других эксплуатационных характеристик. Именно поэтому во всем мире сталь остается наиболее предпочтительным материалом для строительства и промышленности.

Новые химические составы высокотехнологичных сталей позволяют автопроизводителям изготавливать более прочные и легкие транспортные средства, потребляющие меньше энергии. Сталь имеет значительные преимущества для строительства башен ветровых турбин вследствие ее прочности и долговечности. Воздействие на окружающую среду сведено к минимуму, так как сталь может повторно перерабатываться без ограничений. Прочность стали также позволяет разработчикам использовать меньше материала без ущерба для конструктивных характеристик сооружений. Сталь также является частью инновационных технологий, позволяющих снизить энергопотребление в зданиях.

Разработка под определенные сферы применения

Сталь может быть разработана для конкретных конечных потребителей и соответствовать определенным требованиям по прочности, долговечности и утилизации в конце эксплуатационного цикла. Новые и сложные производственные процессы также позволяют внедрять экологически ответственные технологии производства.

Новые области применения стали вытеснили традиционные материалы. Это позволило сократить выбросы парниковых газов, если принимать во внимание весь жизненный цикл изделия. В настоящем информационном бюллетене представлены некоторые примеры таких сфер применения стали.

Сталь в транспортной отрасли

Сталь применяется в железнодорожном транспорте при строительстве поездов и железных дорог, а также создания инфраструктуры. Поездки на короткие и средние расстояния по железной дороге сокращают время в пути и выбросы CO2на 1 км путипо сравнению практически со всеми другими видами транспорта.

Автопроизводители в настоящее время используют ряд высокопрочных сталей, чтобы значительно уменьшить толщину стальных конструкций кузова. Снижение веса означает, что транспортные средства потребляют меньше топлива и выделяют меньше СО2, при этом не страдает безопасность автомобиля, а его стоимость увеличивается незначительно или остается прежней.

Особо высокопрочные стали (AHSS) в настоящее время применяются практически во всех новых разработках транспортных средств. Сегодня транспортное средство состоит на более чем 50% из стали, а использование AHSS позволяет создать облегченную оптимизированную конструкцию, способствующую повышению безопасности, снижению расхода топлива и количества выбросов парниковых газов на протяжении всего времени эксплуатации автомобиля.

При ежегодном производстве 71 млн легковых автомобилей, такой переход от традиционных сталей к сталям AHSS оказывает огромный эффект. Если типичный пятиместный автомобиль изготовлен из новых марок стали AHSS и разработан с использованием оптимизированных технологий, то за весь срок его службы снижение выбросов парниковых газов составляет примерно 2,2 тонны по сравнению с обычными марками. Это значение превышает общий объем выбросов CO2, при производстве всей стали для этого транспортного средства. Если бы конструкция кузова всех автомобилей, произведенных в 2008 году, была выполнена из стали AHSS, то снижение выбросов эквивалентов CO2составило бы 156 млн тонн.

В конструкции кузова автомобиля Ford Fiesta 2008 г.в., например, широко используются ультра высокопрочные стали. Концерн Ford утверждает, что «значительное количество специализированных сталей, включая борсодержащую и двухфазную сталь, — секрет качественного скачка в жесткости несущей конструкции Fiesta при малом весе». Ожидается, что выбросы CO2 составят менее 100 г на км.

Еще один новый автомобиль, Mazda 2 2008 г.в., имеет снаряженную массу 950 кг, что на 100 кг меньше, чем у его предшественника. Такое снижение веса отчасти кроется в изменении конструкции и облегчении кузова, состоящего более чем на 40% из высокопрочной стали. Следовательно, снижается нагрузка на подвеску и тормозную систему. Эти и другие усовершенствования конструкции означают, что топливная экономичность этой новой модели улучшена на 15% по сравнению с предшествующей, что, соответственно, снижает количество выбросов CO2.

В премиум классе MercedesC-Class2008 г. является одним из немногих автомобилей, получившим признанный на международном уровне экологический сертификат за высокие показатели на протяжении всего срока существования изделия (LCA). Корпус автомобиля состоит на 70% из сплавов высокопрочных сталей, что позволило снизить выбросы CO2 одного автомобиля за весь его жизненный цикл на 9 тонн.

Сталь в энергетической отрасли

Сталь необходима как для производства, так и снабжения энергией. Она применяется для строительства опор линий электропередач и морских нефтяных платформ, а также для армирования бетонных конструкций на гидроэлектростанциях. Без стали инфраструктура поставки электроэнергии в наши дома была бы крайне неэффективна.

Сталь находит настолько широкое применение в современных конструкциях, что мы зачастую не осознаем, насколько они эффективны. Ярким примером являются стальные башни ветровых турбин, которые сейчас устанавливаются по всему миру. Как правило, более высокие башни позволяют получить повышенную производительность в плане генерации энергии, так как скорость ветра увеличивается на большей высоте.

Новые стали, используемые в строительстве таких башен, имеют гораздо более высокую прочность на единицу массы, чем другие материалы, так что более высокие башни могут быть возведены с гораздо меньшей нагрузкой на конструкцию. Более низкий вес также позволяет производить такие башни секциями по 30 м, а затем собирать и устанавливать их на месте.

В ходе текущих исследований появляются все новые и новые стали, еще более прочные, чем их предшественники, следовательно, сводится к минимуму масса будущих башен. В результате, вес башни (на установленную мощность в кВт) снизился примерно на 50% за последние 10 лет. Например, высота типичной современной башни ветроэлектростанции HornsRev в Дании составляет 70 м, а вес — всего 140 тонн. Это означает снижение веса на 50% и предотвращение выбросов более 200 тонн СО2 при производстве каждой башни по сравнению с ее предшественницами всего лишь10-летнейдавности.

Сталь в зданиях

Новые виды стали также применяются в современных системах солнечного отопления крупных зданий и складов. Например, канадская воздушно-отопительная система SolarWall ® , недавно установленная на военной базе в США, предназначена для предотвращения выброса более 1800 тонн CO2 в год. Также предполагается, что она даст экономию топлива 46000 ГДж в год.

Другим передовым направлением применения стали для зданий является кровельная система Arsolar с солнечными батареями, разработанная компанией ArcelorMittal. Система Arsolar преобразует солнечную энергию в электричество. Каждый кровельный модуль Arsolar состоит из фотоэлектрических сэндвич-панелей, закрепленных на оцинкованных стальных кровельных панелях. Данная система предотвращает выброс 30 тонн CO2 в год на каждые 45м2 установки.

Сталь в судостроении

В судостроении традиционно используют конструкционную толстолистовую сталь для изготовления корпусов судов. Современный стальной толстый лист имеет гораздо более высокую прочность на разрыв, чем его предшественники, поэтому он гораздо больше подходит для эффективного строительства крупных контейнерных судов.

Доступен особый тип толстого листа с предусмотренной при проектировании устойчивостью к коррозии, идеально подходящий для строительства нефтяных танкеров. Такие стали позволяют строить более легкие суда, чем раньше, или суда с большей вместимостью при том же весе, предоставляя существенные возможности экономии потребления топлива и, следовательно, снижения выбросов CO2.

Прогрессивные стали, используемые в виде листовой стали, также нашли применение в ряде смежных отраслей. Морские буровые вышки, мосты, железнодорожные вагоны, цистерны и сосуды под давлением, атомные, тепловые и гидроэлектростанции — все эти области применения выигрывают благодаря характеристикам современных сталей.

Важность оценки жизненного цикла стали

Приведенные выше примеры — лишь некоторые из множества способов применения прогрессивных сталей в нашей повседневной жизни. Существует много других направлений. Общим фактором является то, что они основаны на современных сталях, разработанных для специфических областей применения и обладающие характеристиками и преимуществами, специальным образом подобранные для каждой сферы применения.

При рассмотрении вопроса о выбросах парниковых газов, ключевым фактором в понимании реального воздействия материала на окружающую среду является Оценка его жизненного цикла (LCA). Данный подход учитывает общие выбросы парниковых газов, выделяющихся при ее производстве, во время использования и по окончании жизненного цикла (переработка или утилизация) продукции.

На первый взгляд материалы, весящие меньше стали, такие как алюминий, магний и пластик, могут показаться интересными альтернативами. Однако, когда во внимание берется весь жизненный цикл материала, у стали нет конкурентов благодаря ее прочности, износоустойчивости, пригодности к переработке и многофункциональности.

Жизненный цикл стальной единицы в многокомпозитной продукции

Некоторые факты о стали

• Сталь на 100% может быть переработана по окончании жизненного цикла, либо повторно использована до переработки.
• При производстве кузова типичного пятиместного автомобиля с применением высокопрочной стали AHSS за весь его жизненный цикл выделяется примерно на 2,2 тонны меньше парниковых газов.
• Уменьшение выбросов CO2 посредством переработки стальной упаковки в Европе в 2006 году было эквивалентно объему CO2, который в том же году был выброшен в атмосферу 1,6 млн автомобилей, (исследование проводилось на примере автомобилей, например, Ford Focus с дизельным двигателем объемом 1,8 л) со степенью выбросов CO2 — 137 г/км, с пробегом 20 000 км в год.
• Ориентировочно 459 млн тонн металлолома было переработано в 2006 году, что позволило предотвратить 827 млн тонн выбросов CO2.
• Консервная банка является самым перерабатываемым контейнером для пищи и напитков в мире с общей степенью переработки 67%.
• Там, где системно применяются сбор и обработка лома, степень вторичной переработки очень высока. 97% всех автотранспортных средств из потока отходов попадают в поток переработки и движущей силой этой переработки является сталь.

С оригиналом материала вы можете ознакомиться на сайте