Как читать новости металлургии (3): Штамповка нержавейки

Дата первой публикации этой заметки: 12 января 2020

Я решил немного побыть «в тренде» и написать о модных новостях, о тех, что у всех на слуху. На этот раз мы поговорим о материале, из которого сделан недавно представленный Cybertruck компании Tesla. Ниже приведены твиты их руководителя, объясняющий почему машина вышла такой:

1. «Reason Cybertruck is so planar is that you can’t stamp ultra–hard 30X steel, because it breaks the stamping press»

2. «Even bending it requires a deep score on inside of bend, which is how the prototype was made»

А вот перевод этих твитов в заметке сайта Медуза:
(«Причина, по которой Cybertruck настолько прямоугольный, в том, что иначе вы не сможете штамповать сверхтвердую сталь 30х — она ломает штамповочный пресс. Даже ее сгибание требует глубокой проработки на внутренней стороне изгиба — именно так был изготовлен прототип»)

Как и в предыдущих постах из этого цикла, в начале я хочу сказать несколько слов о предмете, а затем перейти к разбору заметки. Предмет в этот раз – не процесс, а материал – нержавеющая сталь. Каждый из нас хорошо знаком с этим материалом, более того пользуется им каждый день: столовые приборы и посуда, медицинские инструменты, поручни в транспорте и зданиях, декоративные элементы на одежде, и многое другое. Нержавейки вокруг нас очень много, это привычный и знакомый для нас материал.

В чем же особенность этой стали и почему она не ржавеет? Говоря «нержавейка», следует понимать, что речь идет о целом семействе сталей, которое включает в себя десятки марок. Нержавейка это обиходный термин, а правильно, все–таки, такие стали называть коррозионно–устойчивыми. Каждая из этих сталей, помимо устойчивости к коррозии, обладает также рядом прочностных и технологических свойств, определяющих пределы и области ее применения. Да и сама устойчивость к коррозии, или коррозионная стойкость, у них – не одинаковая.

Несмотря на различия, эти стали обладают и рядом общих признаков. Первое – наличие заметного количества легирующий добавок – химических элементов добавленных в сталь для изменения ее свойств. Так, в обычной легированной стали (например, 40Х или 30ХГСА) сумма всех легирующих добавок редко превышает 5% по массе, чаще – 2–3%. В коррозионно–стойкой стали нередки составы, где легирующие элементы могут занимать до 50% от массы, а 20–25% это вообще обычное дело. То есть, можно говорить уже не о стали (сплаве на основе железа), а о многокомпонентном сплаве, в состав которого входит и железо тоже.

Среди легирующих элементов в нержавеющей стали главный является хром, металл, обладающий рядом интересных свойств. В концентрациях в стали выше 10.5%, хром образует на поверхности стали слой оксида хрома, который препятствует диффузии кислорода в глубину металла (https://www.imetllc.com/training–article/stainless–steel–corrosion–resistant/). Нет кислорода – нет оксида железа – нет ржавчины. Кстати, если оксидный слой будет нарушен и не восстановлен, то нержавеющая сталь все же будет корродировать. Важно отметить, что хром на образование оксидного слоя берется из твердого раствора хрома в железе, из которого собственно и состоит эта сталь.

Кроме того, хром в количестве от 13 до 20 % по массе, образует с железом твердый раствор, который не меняет свою кристаллическую структуру во всем диапазоне температур от солидуса (температуры окончания затвердевания раствора) до комнатной (рис. 1). Такой раствор обозначается греческой буквой «альфа», и для краткости его называют альфа–фазой, а микроструктуру такого сплава – ферритной (от феррита — твердого раствора углерода в железе, существующего при температурах ниже 723 С). При наличии ферритной структуры, сталь будет можно нагревать до высоких температур без риска потерять связанные со структурой свойства, такие как пластичность.

С добавлением в сплав углерода, диапазон концентраций хрома для образования альфа–фазы меняется в сторону увеличения необходимого содержания хрома, до 18–20%. Это и объясняет, почему в нержавеющих сталях может быть много хрома – до 30 %.

Еще один элемент, без которого (почти) не бывает нержавейки, это – никель. Этот элемент тоже образует твердый раствор с железом, а все вместе (железо, хром и никель) в нужных пропорциях создают в стали микроструктуру называемую аустенитом, или гамма–фазой. В чистом железе, как и в сплавах железо–углерод, аустенит тоже образуется, но лишь при высоких температурах (выше 723 С), а при охлаждении до комнатной температуры распадается на альфа–фазу и, если есть дополнительный углерод, то и на карбид железа. Так вот, в хромоникелевых сталях этот аустенит не распадается при охлаждении, да и вообще не меняется в очень широком диапазоне температур (рис. 2)

Чем хорош аустенит? Гамма–фаза имеет более высокий коэффициент упаковки атомов (0.74) по сравнению с альфа–фазой (0.68), т.е. структура более плотная, меньше «пустот» между атомами (0.26 против 0.32). Это дает увеличение прочности и твердости металла. То есть, в дополнение к коррозионной стойкости металл еще и прочнее обычной, низколегированной стали. Здорово, правда? Да, но есть нюансы… На картинке по ссылке выше видно, что область существования гамма–фазы простирается от 30 до 9% никеля и от 0 до 22% хрома. То есть при создании марки надо выбирать композицию этих элементов исходя из многих факторов: получение нужной структуры, стоимость материалов, особенности выплавки и рафинирования, особенности прокатки и штамповки, и много чего еще. Важно отметить, что никель – металл дорогой, в настоящее время стоит порядка $14,000 за тонну, а было и до 30 тыщ (обычная углеродистая сталь — около $500 за тонну). Надеюсь, что вы сможете прикинуть, сколько он добавляет к стоимости тонны стали? Хром, кстати, тоже не сильно отстает, но исторически разница была больше, хром был дешевле. Деньги любят счет, а значит, количество никеля должно быть минимальным для достижения нужного эффекта. Таким образом, большинство хром–никелевых сталей будут в правом углу гамма–области (см. на рис. 2).

В общем, еще к середине 1940–х годов номенклатура нержавейки сложилась, и центральное место в ней заняло так называемая 300–ая серия. Такую маркировку ввел Американский Институт Чугуна и Стали (AISI). На рисунке 2 стрелочкой указан состав одной из самых популярных марок этого семейства – стали 304. Это 18% хрома и 12% никеля. Ближайший российский аналог этой марки – 08Х18Н10. Можно почитать подробнее о других марках этой серии по ссылкам:

http://www.nealloys.com/300_series_alloy.php
https://www.engineeringclicks.com/aisi–316–stainless–steel/

Отдельно хочу порекоммендовать хотя бы полистать книгу, целиком посвященную штамповке аустенитных хром–никелевых нержавеющих сталей: "Forming of austenitic chromium–nickel stainless steels". Первое издание вышло еще 1947 году, по сслыке — второе, 1954–го года. Она прекрасно иллюстрирована и написана простым языком. Язык, правда, английский.

Итак, будем считать, что мы разобрались с тем, почему нержавеющая сталь не ржавеет и какую роль в этом играют различные элементы. Переходим к разбору заметки. Так как текст маленький, будем разбирать по фразам и твитам.

Первый твит

«Reason Cybertruck is so planar is that you can’t stamp ultra–hard 30X steel, because it breaks the stamping press» [Причина, по которой Cybertruck настолько прямоугольный, в том, что иначе вы не сможете штамповать сверхтвердую сталь 30Х — она ломает штамповочный пресс].

Начнем с маркировки стали. Как потом выяснилось, под именем 30Х понимался специальный состав из 300–ой серии. Если следовать логике наименования это должна быть сталь от 301 до 309. В случае создания композиций для получения особых свойств обычно добавляют буквенный индекс: например, стали 304 и 304L различаются содержанием углерода, а индекс L означает Low, т.е. низкое или пониженное содержание углерода (0.03 против 0.08 % в обычной 316; https://blog.mchoneind.com/blog/304–vs.–304l–stainless–steel). Между 1 и 9 заняты не все цифры: свободны 306, 307 и 308. По идее, 30Х должна быть одной из этих трех, т.е. заполнить «пробел» между марками по химии и мехсвойствам.

Начнем с химии. Если посмотреть, как меняется химический состав стали при изменении марки, то мы увидим, что меняется только содержание никеля – оно растет, в то время как содержание остальных компонентов остается более–менее постоянным. Из рассуждений о содержании никеля мы помним, что есть пределы его содержания, необходимые для получения нужного фазового состава в стали при комнатной температуре. Сильно варьировать состав не получится, и максимум того, что можно сделать, это скомбинировать хром и никель так, чтобы стабильно получать чисто аустенитную структуру (10–12% хрома и 18–20% никеля).

Еще в 300–й серии меняется содержание углерода: от 0.08 % в 301–ой до 0.03% в 309–ой. В отличие от остальных элементов, углерод не добавляют в металл, а удаляют из него, и чем ниже его содержание, тем сложнее становится его дальнейшее снижение. Однако есть и естественный предел: это так называемый предел растворимости углерода в данном сплаве. Например, для чистого железа это 0.022%. Если содержание углерода будет ниже этой цифры, то весь углерод будет находиться в растворе с железом, и второй фазы образовываться не будет. Будет однородная структура, а значит и предсказуемые механические свойства: прочность, пластичность, твердость.

Итак, в отсутствующие в номенклатуре номера можно вписать новый сплав, но чем он будет отличаться от соседей – непонятно. Если взять за подсказку слово «сверхтвердый», то можно предположить, что туда могли добавить элемент или несколько, которые и увеличили твердость. Твердость это сопротивление внедрению более твердого тела. Интересно, что небольшие изменения в составе (по хрому и никелю) вызывают изменения пределов прочности и текучести, но не твердости: все марки 300–ой серии имеют твердость около 88 единиц по шкале Б метода Роквелла, или около 217 МПа по методу Бринелля. Скажу прямо, это не очень твердая сталь. Для сравнения, коррозионно–стойкая сталь марки 14Х17Н2 имеет твердость около 300 МПа по Бринеллю. Другая сталь, Н13 (первая – латинская, эйч, а не русская эн), из которой собственно и делают пуансоны различных штампов имеет твердость около 530 МПа по Бринеллю, т.е. более, чем вдвое против 300–ой серии.

Стоит отметить, что для штамповки твердость – это не ключевой показатель. Куда большее значение имеют такие характеристики как предел текучести или относительное удлинение. У сталей 300–ой серии предел текучести около 200 МПа и относительное удлинение около 40%. Это уровень стали Ст3пс, т.е. стали 3 полуспокойной, или алюминиевого сплава АЛ3.

Еще можно добавить, что получение твердой стали всегда сопряжено с выделением карбидной фазы. Карбид это тип соединений, которых металл (или неметалл) соединен с углеродом. Такое соединение может получиться, если углерод присутствует в свободном виде. В нержавейке 300–ой серии весь углерод «загнан» в раствор с железом, и сделано это как раз во избежание выделения карбидов. Говоря по–простому, сделать ее сверхтвердой, увы, не получится, даже если от души всыпать в нее молибдена (основной компонент твердых сталей, например, быстрорезов для свёрел и резцов). Вывод: если сталь из твита действительно относится к 300–му семейству, то сверхтвердой (как и сверхпрочной) она быть не может.

А что же тогда, случилось с прессом из твита? Его сломали или нет? Штамповка и обработка давление – это не моя область, но кое–что я рискну предположить. Не исключено, что слова о прессе – это трансляция того, что сказали непосредственные исполнители. Я думаю, что они пробовали штамповать детали из нержавейки на прессах, которые используются для деталей кузова обычных машин Тесла, т.е. на прессах настроенных под очень пластичную сталь–автолист (типа марки 08Ю). Скорее всего, автоматика пресса «напряглась» и выдала сигнал о перегрузке, и процесс остановили. Конечно, возможен вариант, когда под видом 300–ой нержавейки в пресс сунули действительно что–то твердое и сломали матрицу или пуансон (или их крепеж). Но это маловероятно.

Не стоит забывать и об еще одной важной проблеме при штамповке тонкого листа – растворенном азоте и его соединениях. Но это огромная тема, и мы пока ее трогать не будем. Скажу одно: экономия при производстве стали, как правило, ведет к увеличению содержания азота – примеси, которой не в марке, но которая может испортить всю картину, вызывая разрывы листа при глубокой вытяжке. Если штамповать тонкий лист (например, 0.5 мм, то, что надо для машины), он будет рваться, если увеличить толщину, то гнуть будет тяжело, и пресс мог и не выдержать. Плюс, при большей толщине будет увеличиваться и масса, что для автомобиля, тем более для демонстратора технологий, является критическим параметром. Конечно можно и нужно «поиграть» с термическим режимом (нагревать стали перед штамповкой, и охлаждать после), но это сразу повлечет удорожание производства, ведь обычный автолист штампуют холодным.

Второй твит

«Even bending it requires a deep score on inside of bend, which is how the prototype was made» [«Даже ее сгибание требует глубокой проработки на внутренней стороне изгиба — именно так был изготовлен прототип»].
Этот твит вообще малопонятен. Термин «scoring» (а не “score”) означает «(1) образование царапин в направлении скольжения. (2) Процесс нанесения царапин или узких бороздок на поверхности твердым предметом. (3) Образование бороздок на поверхности металлической детали из–за налипания металла на штамп. (4) Уменьшение толщины материала вдоль некой линии.» (отсюда: https://metagarant–minsk.by/articles/terminy–opredeleniya–metalloprokat/).

Перевод, сделанный Медузой, говорит о какой–то глубокой проработке, что больше похоже на додумывание, чем на перевод. Может, я чего–то не понял? Если кто–то из вас знаком с штамповкой — подскажите.

Выводы

Объединив оба твита, можно сделать следующие выводы:

1) Основное свойство нержавеющей стали это устойчивость к коррозии в различных средах. Прочность и другие свойства у нее тоже на хорошем уровне, но не выделяются на фоне других марок. Ее выбор для кузовных панелей, в принципе, объясним, но не слишком логичен.

2) По непонятной причине, в компании Тесла, или у ее подрядчиков, не получилось качественно отштамповать кузовные детали из нержавеющей стали на прототип грузовика, хотя обычно штамповка нержавейки проблем не вызывает: достаточно посмотреть на любую раковину из этого материала. Речь, видимо, идет о глубокой вытяжке, т.к. сделать простую обработку кромок и т.п. все же удалось.

3) Причиной, по которой этого сделать не удалось, была названа высокая твердость, однако анализ различных вариантов химического состава сталей этого семейства показывает, что она не может быть твердой, а тем более сверхдвердой. Т.е., проблемы со штамповкой возникли по какой–то иной причине. Возможно, причина была в оборудовании или качестве материала.

4) Известно, что некоторые типы нержавейки штампуются лучше, чем другие. Неясно, почему не был проведен анализ материалов перед штамповкой. Вся необходимая информация, как о нержавеющих сталях, так и об оснастке для их формовки была доступна в печати уже более семидесяти лет.

Заключение

В заключение хочу добавить, что главная проблема с применение нержавейки в автоиндустрии была давно хорошо известна: это дорого. Разница в цене с автолистом, я думаю, раза в 2–3. Традиционный подход к автостроению не допускает подобной расточительности. Поэтому единственным примером машины с корпусом из нержавейки является такой же экстравагантный DMC DeLorian. Там корпусные детали были отштампованы из 304–ой стали и выглядели вполне традиционно для 1980–х годов. Интересно, как это у них получилось?

Цены на хром и никель довольно сильно «плавают», что неприемлемо предсказуемости, нужной автопроизводителям, которые считают каждую копейки или цент. Хотя автолист и не самая дешевая сталь, ее состав и способ производства позволяют держать ее цену стабильной (с минимальными колебаниями), а объемы производства – очень большими.

Также, стоит отметить, что нержавейка имеет большую плотность, чем углеродистая сталь: 7.93 г/см3 у 304 против 7.86 г/см3 у 08Ю. Разница, вроде, небольшая, но эти лишние килограммы надо будет возить с собой.

Кроме того, учитывая весь экологический ажиотаж вокруг электромобилей, нельзя не отметить, что производство нержавеющей стали сопровождается более значительными (по сравнению с традиционной сталью–автолистом) затратами энергии, а следовательно – и выбросами в атмосферу, почву и воду.