Введение 4
Глава 1 Аналитический обзор 9
1.1 Состояние вопроса 9
1.2 Основные причины образования поверхностных дефектов
при деформировании листовой стали 13
1.3 Природа образования и классификация неметаллических
включений 20
1.4 Модифицирование неметаллических включений при
раскислении стали 22
1.5 Технические характеристики поставляемого металлопроката.... 30
1.6 Производство холоднокатаного и горячеоцинкованного
проката 33
Глава 2 Методы испытаний и исследований, материалы и оборудование 37
2.1 Механические испытания поставляемого металлопроката,
подготовка образцов для испытаний на растяжение 37
2.2 Металлографические исследования 40
2.2.1 Металлографические исследования микроструктуры 40
2.2.2 Электронномикроскопические исследования дефектов 41
2.2.3 Подготовка образцов для металлографических
исследований 44
2.2.4 Подготовка образцов для электронномикроскопических
исследований 45
2.3 Анализ химического состава металлопроката 47
2.4 Анализ газонасыщенности в металлопрокате 48
Глава 3 Результаты исследований 51
3.1 Результаты механических испытаний металлопроката в
состоянии поставки 52
3.2 Результаты металлографических исследований металлопроката
в состоянии поставки 55
3.3 Результаты анализа химического состава металлопроката в
состоянии поставки 56
3.4 Анализ дефекта «поверхностные разрывы» после холодной
деформации 57
3.5 Анализ причин увеличения дефектности от производителя
металлопроката 67
Глава 4 Результаты исследований опытных партий 71
4.1 Механические испытания образцов опытных партий 71
4.2 Металлографические исследования образцов опытных партий 72
4.3 Анализ химического состава образцов опытных партий 73
4.4 Определение и сравнительный анализ газонасыщенности
в партиях с дефектами и в образцах опытных партий 74
4.5 Оценка эффективности внедрения корректирующих действий... 78
Заключение 81
Список используемых источников 84
Приложение А Справка по дефекту поверхности металлопроката после штамповки за период 2019-2020 гг 89
В настоящее время на АО «АВТОВАЗ» существует проблема увеличения дефекта - разрывов (надрывов) по неметаллическим включениям на поверхности деталей из тонколистового холоднокатаного горячеоценкованного металлопроката при обработке металлов давлением (холодной штамповке) в процессе изготовления по действующей технологии лицевых крупногабаритных деталей кузова автомобиля.
Обработка металлов давлением (холодная штамповка) деталей производится в прессовом производстве АО «АВТОВАЗ», которое специализируется на изготовлении крупногабаритных лицевых деталей кузова (панелей боковин, крыш, дверей, капотов, багажников, крыльев) и деталей корпуса кузова (усилителей, балок, кронштейнов, лонжеронов). Продукция прессового производства насчитывает более 1700 наименований изделий, а общее число производимых деталей составляет около 70 млн. единиц в год.
Основными потребителями тонколистового холоднокатаного горячеоценкованного металлопроката являются производственные площадки брендов LADA, RENAULT, NISSAN, КАМАЗ, ДАЙМЛЕР КАМАЗ РУС в России, а также поставляется на Ford, Hyundai, Kia и другим производителям.
Актуальность темы исследования.
Одним из основных дефектов, выявляемых потребителями листового проката, являются разрывы при штамповке. В последние годы одной из наиболее частых проблем при переработке тонколистового проката является образование несплошностей связанных с наличием под поверхностью проката цепочки скоплений неметаллических включений. Проблема проявляется на марках для глубокой и особо глубокой вытяжки - DX54D, DX56D, IF/006 в партиях, соответствующих требованиям нормативной документации.
Объектом исследования являются образцы из тонколистового холоднокатанного горячеоценкованного металлопроката марок сталей для холодной штамповки марок: DX54D - особо глубокой вытяжки и DX56D - для специальной глубокой вытяжки, 006/IF категории вытяжки ВОСВ/ОСВ: особо сложная вытяжка/весьма особо сложная вытяжка производства завода изготовителя ПАО «ММК».
Предметом исследования являются поверхностные разрывы на лицевых деталях кузова автомобиля, химический состав тонколистового металлопроката и заготовок, микроструктура, механические свойства, газонасыщенность, химический состав структурных составляющих.
Цель работы. Снижение уровня дефектности по поверхностным разрывам на низкоуглеродистых сталях для холодной штамповки марок для особо сложной и весьма особо сложной вытяжки.
Решаемые задачи:
- проведение исследований причин возникновения дефекта: исследование образцов тонколистового холоднокатаного горячеоценкованного металлопроката в состоянии поставки, статистический анализ механических свойств, анализ микроструктуры и химического состава «проблемных» марок сталей: DХ54D, DХ56D, 006/IF ВОСВ/ОСВ;
- проведение сравнительного анализа металлопроката из партий с низким уровнем и партий с высоким уровнем дефектности.
- проведение исследований поверхностных разрывов на фрагментах деталей после холодной штамповки, направленных на определение корневой причины образования дефекта;
- наработка мероприятий, направленных на снижение уровня дефектности;
- оценить эффективность предложенных мероприятий (внедренных корректирующих действий).
Научная новизна:
- показана негативная роль введения кальция в качестве раскислителя в металл с содержанием кислорода на уровне 200 ppm;
- уровень окисленности с содержанием кислорода в пределах 40 ppm является достаточным для исключения дефекта, связанным с разрывами по неметаллическим включениям при холодной штамповке.
Практическая значимость:
- установлено, что разрывы на поверхности листового проката при холодной штамповке сложных кузовных деталей образуются из-за наличия неметаллических включений эндогенного характера, представляющие собой продукты раскисления;
- установлено, что очагом разрывов на поверхности листового проката при холодной штамповке деталей выступают неметаллические включения на основе алюмината кальция (типа nCaOmAl2O3) и оксида кальция в соотношении 1:1 (nCaO), представляющие собой продукты раскисления;
- установлено, что введение кальция при раскислении без снижения общей окисленности приводит к увеличению дефектности. Значимое снижение уровня дефектности достигается снижением содержания кислорода в стали;
- установлена негативная роль кальция, как раскислителя на образование неметаллических включений, которые приводят к поверхностным разрывам при штамповке;
- подтверждена целесообразность контроля общего уровня окисленности (количество активного кислорода в стали).
В условиях ПАО «ММК» произведены опытные партии металлопроката с внедренными корректирующими действиями, направленными на снижение дефектности и переработаны в прессовом производстве АО «АВТОВАЗ».
Результаты опубликованы в сборнике: Современные проблемы материаловедения. Сборник научных трудов II Всероссийской (национальной) научно-практической конференции, посвященной 65-летию ЛГТУ: Святкин А.В., Карелина И.Ю., Шендерей П.Э. К вопросу о природедефекта «разрывы по неметаллическим включениям» при штамповкеавтолиста // Сборник научных трудов. Современные проблемы материаловедения. - 2021. - С. 137-144.
Издание постатейно размещено в научной электронной библиотеке elibrary.ru: Современные проблемы материаловедения. Липецк, 18 февраля 2021 г.
Также результаты работы докладывались на семинарах кафедры «Нанотехнологии, материаловедения и механика» Тольяттинского государственного университета в 2020-2021 гг.
Этапы выполнения работы:
- анализ научной литературы и технической документации по проблеме исследования.
- подобрать стандартизированные методы, оборудование и материалы для организации комплексных исследований.
- провести сравнительный анализ механических свойств
металлопроката в состоянии поставки из партий с низким уровнем и партий с высоким уровнем дефектности.
- привести металлографические исследования микроструктуры и химический анализ металлопроката в состоянии поставки партий с высоким уровнем дефектности.
- провести исследования поверхностных разрывов на фрагментах деталей после холодной штамповки.
- предложить мероприятия, направленные на снижение уровня дефектности.
- провести комплексные исследования параметров микроструктуры, показателей механических свойств и химический анализ металлопроката опытных партий, предоставленных поставщиком с внедренными корректирующими действиями.
- провести сравнительный анализ газонасыщенности в металлопрокате партий с дефектом поверхностные разрывы и в опытных партиях.
- провести подконтрольную переработку опытных партий.
Личный вклад автора заключается:
- в подготовке аналитического обзора, анализе литературных источников по проблеме исследования;
- в проведении металлографических и электронно-микроскопических исследований;
- в организации комплексных исследований (анализ химического состава металлопроката, анализ газонасыщенности металлопроката, механические испытания, статистический анализ);
- в подконтрольном сопровождении по переработке опытных партий,
- в участии в обсуждении результатов исследования;
- в подготовке рекомендаций поставщикам, а также участие в написании тезисов и статей по результатам исследований.
Структура и объем работы.
Магистерская диссертация изложена на 92 страницах, содержит 46 рисунков, 15 таблиц, 49 источников, 1 приложение.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и одного приложения.
По литературным данным неметаллические включения ухудшают механические свойства стали - уменьшают прочность и пластичность, а также охрупчивают, понижают сопротивление коррозии, ухудшают технологические свойства, так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения в металле. Так же отмечается положительный эффект при применении кальций-содержащих материалов для раскисления и модифицирования стали, так как раскислительная способность кальция намного выше, чем у прочих раскислителей, включая алюминий, при этом образующиеся продукты раскисления находящиеся в стали в жидком состоянии, должны легко удалятся из металла. Некоторое количество таких включений остается в виде сравнительно мелких механически прочных включений глобулярной формы, не меняющих форму при холодной деформации, предполагается что в ряде случаев положительно влияет на эксплуатационные свойства стали.
К сожалению, среди большого количества литературных данных, посвящённых положительному влиянию кальция как раскислителя на форму и размеры неметаллических включений и свойства низкоуглеродистых сталей не удалось найти рассмотрения рисков, связанных с раскислением и модифицированием кальцием.
Тем не мене по результатам исследований разрывы на поверхности листового проката при холодной штамповке сложных кузовных деталей в прессовом производстве АО «АВТОВАЗ» образуются из-за наличия неметаллических включений. В результате микроанализа подтверждено, что данные неметаллические включения эндогенного характера на основе алюмината кальция и оксида кальция, представляющие собой продукты раскисления, дефект производства завода изготовителя ПАО «ММК».
Помимо этого, после дополнительного раскисления кальцием общий уровень отклонений по дефекту «разрыв по неметаллическим включениям» только увеличился. Анализ в период наибольшего количества обращений по причине разрывов показал, что включения, выступающие концентраторами напряжений, представляют собой главным образом неметаллические включения на основе оксида кальция - CaO.
Сравнительный анализ механических свойств металлопроката в состоянии поставки в период низкого уровня дефектности и в период резкого увеличения дефектности показал, что механические свойства соответствуют нормативным требованиям поставляемого проката, и не связаны с образованием разрывов. Так же по металлографическим характеристикам и по химическому составу в поставляемом металлопрокате, в период увеличения дефектности, связи с образованием поверхностных разрывов при штамповке не выявлено.
Для снижения уровня дефектности по поверхностным разрывам по неметаллическим включениям со стороны АО «АВТОВАЗ» было обращение к заводу изготовителю с рекомендациями по снижению общей окисленности металла и проведению корректировки технологии раскисления со снижением расхода кальция.
В 2020 г. в условиях ПАО «ММК» произведены и предоставлены опытные партии, со снижением общей окисленности металла и с корректировкой технологии раскисления - за счет снижения расхода кальция.
В течение 2020 г. при переработке в прессовом производстве АО «АВТОВАЗ» по действующей технологии опытных партий предоставленных ПАО «ММК», отбраковка по дефектам «поверхностные разрывы» и «плена» не отмечалась.
Анализ газонасыщенности опытных партий показал, что в стали резко снизилась концентрация кислорода и азота. Концентрация кислорода на уровне 40 ppm, снижена практически в 5 раз, азота в 1,5-2 раза по отношению к партиям с дефектом «поверхностные разрывы» и «плена», где концентрация кислорода была на уровне 200 ppm. При этом в ряде случаев при переработке последующих серийных партий было зафиксировано, локальное утонение при холодной штамповке в области вытяжки без образования разрыва, установлено, что причиной образования утонения являются неметаллические включения на основе без кальциевых оксидов.
Тем не менее, при определении газонасыщенности образца с «утонением» на заготовке после вытяжки, содержание массовой доли кислорода составило 76 ppm. Анализ газонасыщенности показал, что в стали концентрация кислорода практически в 2 раза, а азота в 3 раза выше по сравнению с опытными партиями, в результате причиной появления таких единичных случаев дефекта является переокисленность металла.
Содержание кислорода в низкоуглеродистой стали на уровне 200 ppm чревато образованием трудноудалимых скоплением оксидов, при уровне в 40 ppm, как отмечено при переработке опытных партий, дефектность резко снижается.
В результате внедренным корректирующим действиям достигнуто снижение уровня дефектности по поверхностным разрывам при холодной штамповке.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
