Материалы для деталей, получаемых листовой штамповкой

Листовая штамповка — это технологический процесс, обеспечивающий изготовление деталей сложной формы из листовых материалов с высокой точностью, повторяемостью и производительностью. Выбор материала для листовой штамповки является критически важным, поскольку эксплуатационные свойства готовых деталей, такие как прочность, коррозионная стойкость и долговечность, напрямую зависят от характеристик ис- ходной заготовки. Этот процесс требует учета физико-механических свойств материала, его способности к пластической деформации и анизотропии, которая влияет на качество и стабильность формоизменения. В данном лекционном материале подробно рассматриваются материалы, используемые в листовой штамповке, их классификация, свойства, стандарты, а также современные тенденции в их применении.

Общие требования к материалам

Материалы для листовой штамповки должны соответствовать строгим требованиям, чтобы обеспечить успешное выполнение операций формоизменения и высокое качество готовых изделий. Основные требования включают:

• Высокая пластичность: материал должен выдерживать значительные деформации без разрушения, что особенно важно для операций глубокой вытяжки и сложной формовки.
• Стабильность свойств: однородность механических характеристик (прочности, текучести, удлинения) по всему листу для минимизации дефектов.
• Анизотропия: направленность деформационных свойств, обусловленная кристаллической и зеренной структурой, влияет на поведение материала в процессе штамповки и эксплуатационные характери- стики деталей.
• Свариваемость и коррозионная стойкость: важны для деталей, используемых в агрессивных средах или требующих последующей сборки.

Анизотропия свойств определяется структурой материала, которая формируется в процессе прокатки. Кристаллическая структура и размер зерна влияют на способность материала к деформации и его прочностные ха- рактеристики. Наследственная информация, заложенная в структуре, передается через технологические процессы, что требует строгого контроля на всех этапах производства, от прокатки до штамповки. Современные технологии позволяют управлять анизотропией для достижения оптимальных результатов.

Стальной листовой прокат

Стальной листовой прокат является основным материалом для листовой штамповки благодаря своей универсальности, доступности и разнообразию свойств. В большинстве случаев применяются низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,05–0,4%, обладающие высокой пластичностью и хорошей свариваемостью. Стали классифицируются по качеству на:

• Углеродистая сталь обыкновенного качества: используется для простых деталей с умеренными требованиями.
• Качественная конструкционная сталь: применяется для деталей, требующих высокой точности и прочности.
• Легированная сталь: для специальных применений, где требуется повышенная прочность, коррозионная стойкость или жаропрочность.

Типы стального проката

Основные виды стального проката для листовой штамповки включают:

• • • Углеродистая сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380–71, толщи- на 0,5–4,0 мм, марки Ст0–Ст6): подходит для простых операций вырубки и гибки.
    • Тонколистовая холоднокатаная низкоуглеродистая сталь (ГОСТ 9045– 80, толщина 0,5–3,0 мм, марки 08Ю, 08пс, 08кп): для сложных операций, включая глубокую вытяжку.
    • Толстолистовая горячекатаная конструкционная сталь (ГОСТ 17066– 80, марки 14Г2, 09Г2, 15ГФ): для крупных деталей с умеренной деформацией.
    • Сталь повышенной прочности: двухфазные стали (08ГСЮТ, 08ГСЮФ) и многофазные стали для высоконагруженных деталей.
    • Легированная конструкционная сталь (ГОСТ 4543–71, марки 60Г, 20Х, 25ХГСА): для деталей с особыми требованиями.
    • Коррозионно-стойкая и жаропрочная сталь (ГОСТ 5582–82, марки 08Х13, 12Х18Н9Т): для работы в агрессивных условиях.

Горячекатаный и холоднокатаный прокат

Прокат выпускается в виде листов, лент и рулонов, подразделяясь на:

• • • Горячекатаный прокат: используется для неглубоких и плоских деталей, имеет большую шероховатость и разнотолщинность.
    • Холоднокатаный прокат: толщина до 4 мм, обладает высокой точно- стью, меньшей шероховатостью и улучшенными технологическими свойствами, что делает его предпочтительным для холодной штам- повки.

Холоднокатаный прокат классифицируется по:

• • • Качеству отделки поверхности: I (особо высокая), II (высокая), III (по- вышенная).
    • Способности к вытяжке: Г (глубокая), Н (нормальная).
    • Точности прокатки: П (повышенная), О (обычная).
    • Состоянию поверхности: глянцевая (гл), матовая (м).

Пример условного обозначения: Лист стали 08Ю, толщина 1,0 мм, ши- рина 1000 мм, длина 2000 мм, повышенной точности, особо высокой от- делки, матовая поверхность, особо сложной вытяжки:

Лист П – 1,0 ×1000 × 200019904 − −741 − − − − − −089045 − −80Лист П – 1,0 ×1000 × 20001990

Химический состав и механические свойства

Химический состав низкоуглеродистых сталей (ГОСТ 9045–80) представ- лен в таблице:

Таблица 1: Химический состав тонколистовой холоднокатаной низкоугле- родистой стали

Марка стали	Mn	C	S	P	Si	Cr	Ni
08Ю	0,2–0,35	0,07	0,025	0,02	0,01	0,03	0,06
08пс	0,2–0,45	0,09	0,03	0,025	0,04	–	0,10
08кп	0,2–0,4	0,1	0,03	0,025	0,03	–	0,10
08Фкп	0,2–0,4	0,08	0,025	0,02	0,01–0,03	0,03–0,04	0,10

Механические свойства определяют штампуемость стали:

Таблица 2: Механические свойства тонколистовой холоднокатаной стали Категория вытяжки Сталь σ_T , МПа σ_B, МПа δ, % (0,4–2,0 мм) Твердость HRB

ВОСВ	08Ю	185	250–320	40–42	46
ОСВ	08Ю	195	250–350	36–40	46
СВ	08Ю	205	250–350	34–38	48
ВГ	08кп	210	260–360	28–29	–
ВГ	08пс	210	260–360	28–29	–

Микроструктура стали (балл зерна феррита 6–9, структурно-свободный цементит до 2–3 баллов) влияет на способность к формоизменению. Для толстолистового проката (4–14 мм) применяются горячекатаные стали (ГОСТ 4041–71), которые классифицируются по четырем категориям в зависимо- сти от механических свойств, величины зерна и обезуглероженного слоя.

Легированные стали

Легированные стали содержат добавки (хром, никель, марганец, кремний), улучшающие их свойства. Они классифицируются по структуре, составу и назначению. Для листовой штамповки применяются стали с высокой пла- стичностью и специальными свойствами, такими как жаропрочность и коррозионная стойкость.

Двухфазные и многофазные стали

Двухфазные стали (08ГСЮТ, 08ГСЮФ, 10ЮА) с ферритно-мартенситной струк-турой (20–25% мартенсита в ферритной матрице) обладают:

• • • Прочностью: σ_B = 400 − −550 МПа.
    • Низким отношением предела текучести к прочности: σ_T /σ_B = 0, 6 −

−0, 65.

• • • Высокими показателями деформационного упрочнения (n = 0, 21 −

−0, 25) и анизотропии (R^∗ = 1, 1 − −1, 6).

Эти стали устойчивы к деформационному старению, что делает их идеальными для автомобилестроения.

Хромистые и хромоникелевые стали

Хромистые и хромоникелевые стали (12Х18Н9Т) обладают высоким отно- сительным удлинением (δ = 40%) и низким отношением σ_T /σ_B, что обеспе- чивает хорошую штампуемость. Однако они характеризуются высоким со- противлением деформации и интенсивным упрочнением в процессе штам- повки.

Стали специального назначения

Стали марок 25ХГСА, 30ХГСА, 30ХГСН2А применяются для нагруженных деталей, работающих при низких температурах (-30…-80°C). Их механиче- ские свойства после термообработки:

Таблица 3: Механические свойства легированных сталей (ГОСТ 11268–78)

Сталь Термообработка σ_B, МПа δ₅, % (закалка+отпуск) δ₅, % (норма

25ХГСА	З, 880, м + Ов, 470–550, в/м	1080	10	21
30ХГСА	З, 880, м + Ов, 480–570, м	1080	10	20
30ХГСН2А	З, 900, м + Ос, 200–300, в	1570	9	19

IF-стали и современные разработки

IF-стали (Interstitial Free Steel) — это мягкие стали с ультранизким содержанием углерода, получаемые вакуумной дегазацией. Они обладают высокой пластичностью, не подвержены старению и не образуют линий сколь- жения, что делает их идеальными для сложной штамповки. Их характери- стики регламентируются стандартами EN 10130:2006 и EN 10131:2006.

Таблица 4: Химический состав IF-сталей

Марка	C	Mn	P	S Si	Al Ti
DC01	≤ 0, 120	≤ 0, 60	≤ 0, 045	≤ 0, 045 –	– –
DC05	≤ 0, 060	≤ 0, 035	≤ 0, 025	≤ 0, 025 –	– –
DC07	≤ 0, 010	≤ 0, 020	≤ 0, 020	≤ 0, 020 –	– –

Таблица 5: Механические свойства IF-сталей Марка σ_T , МПа σ_B, МПа δ, % n r

DC01	280–320	270–410	28–41	–	–
DC05	180–220	270–330	36–40	0,200	1,7–1,9
DC07	160–200	270–330	39–43	0,230	2,1–2,3

IF-стали широко применяются в автомобилестроении для кузовных деталей, обеспечивая высокую штампуемость и коррозионную стойкость.

Неметаллические и многослойные материалы

Помимо сталей, в листовой штамповке используются:

• Неметаллические материалы: слоистые и волокнистые пластики, пластмассы гомогенной структуры. Их применение растет в произ- водстве легких деталей для электроники и бытовой техники.
• Многослойный прокат:
  • Биметаллы (ГОСТ 10885–85): основной слой из углеродистой ста- ли, плакирующий — из меди, алюминия, цинка (10–25% толщи- ны).
  • Трехслойные материалы: оцинкованный прокат (ГОСТ 14918– 80), белая жесть (ГОСТ 13345–85), антифон.

Эти материалы повышают долговечность и функциональность деталей в консервной, строительной и автомобильной промышленности.

Применение и современные тенденции

Материалы для листовой штамповки находят применение в автомобилестроении, авиационной промышленности, производстве бытовой техни- ки и упаковки. Современные тенденции включают:

• Разработку высокопрочных сталей с улучшенной штампуемостью.
• Использование многослойных и композитных материалов для повышения коррозионной стойкости.
• Автоматизацию подачи лент и рулонов для минимизации отходов.

Контрольные вопросы

1. Какие требования предъявляются к материалам для листовой штамповки? Как анизотропия влияет на процесс?
2. Какие виды стального проката используются в листовой штамповке? В чем различия между горячекатаным и холоднокатаным прокатом?
3. Опишите химический состав и механические свойства низкоуглеродистых сталей для штамповки.
4. Какие преимущества дают двухфазные и IF-стали? В каких отраслях они применяются?
5. Какие неметаллические и многослойные материалы используются в листовой штамповке? Для каких целей?
6. Как стандарты (например, ГОСТ 9045–80, EN 10130:2006) влияют на вы- бор материала?
7. Какие современные тенденции наблюдаются в разработке материалов для листовой штамповки?