Развитие применения листового оцинкованного проката для производства автомобилей  LADA - НКП ЦРЦ
поиск
 
Развитие применения листового оцинкованного проката для производства автомобилей LADA

Развитие применения листового оцинкованного проката для производства автомобилей LADA

1. Анализ современных требований к антикоррозионной защите кузова автомобиля
Известно, что проблемы обеспечения требуемой коррозионной стойкости автомобильных кузовов решаются по следующим основным направлениям:
1). Оптимизация конструкции кузова;
2). Применение оцинкованных сталей;
3). Фосфатирование погружением перед окраской;
4). Грунтование методом катафореза;
5). Применение мастик, клеев для защиты стыков, сварных соединений, зафланцовок.
6). Дополнительная защита скрытых полостей консервационными составами.

Сегодня при конструировании кузова для снижения риска образования сквозной коррозии принято:
- избегать образования глухих и коробчатых сечений конструкции кузова,
- избегать перегородок в коробчатых сечениях, и образования узких плохо вентили­руемых мест;
- избегать участков, где может скапливаться пыль и влага,
- выпол­нять дренаж в нижних точках сечений;
- по возможности выполнять соединения в местах, где не скапливается пыль и грязь.
В 2000 году опубликован новый, так называемый «скандинавский кодекс», устанавливающий более жёсткие требования по коррозионной стойкости: обеспечение защиты от косметической коррозии 6 лет, от сквозной – 10 лет. Несмотря на то, что данный документ носит рекомендательный характер, все ведущие зарубежные автомобилестроительные компании нацелены на выполнение данных требований. Выполнение таких высоких требований по коррозионной защите кузова, и прежде всего по так называемой косметической коррозии, невозможно без применения оцинкованных сталей, причем преимущественно двухсторонних, в том числе и для внешних деталей кузова.

 

2. Анализ применения оцинкованных сталей в зарубежных автомобилях
В настоящее время автомобилестроители Европы, Юго-Восточной Азии, Японии и США применяют следующие основные виды проката с защитным покрытием на основе цинка:
- Электрооцинкованный прокат, одно- и двухсторонний (ЭЦ-прокат/EG) - для лицевых и внутренних деталей.
- Горячеоцинкованный прокат (ГЦ-прокат/GI) - для лицевых и внутренних деталей.
- Прокат с покрытием цинк-железо (горячеоцинкованный прокат с последующей термообработкой (ГЦЖ-прокат/GA) - для лицевых и внутренних поверхностей деталей.
Кроме того, ряд производителей используют электролитические покрытия состава цинк-никель и органические покрытия с наполнителем на основе цинка, в т.ч. цинк-никелем для изготовления внутренних деталей. Однако объём применения проката с такими покрытиями незначителен, к тому же никель все чаще классифицируется как сильный аллерген.
Ведущие металлургические компании мира, занимающиеся поставками покрытого автолиста, направляют основной объём инвестиций на создание мощностей по производству горячеоцинкованного проката взамен электролитического оцинкованного, в том числе и для лицевых деталей кузова автомобиля. При этом, действующие агрегаты по выпуску электрооцинкованного проката продолжают свою работу и обеспечивают поставку для своих традиционных клиентов. На выбор типа покрытия (ЭЦ, ГЦ или ГЦЖ(Zn-Fe)), кроме цены проката влияют следующие факторы:
- Срок жизни модели на рынке к моменту внедрения и минимизация дополнительных инвестиций.
-Территориальная близость производителя проката того или иного типа.
- Сложившиеся технические традиции и предпочтения автомобильной компании.
При этом, как правило, начало применения ГЦ-проката происходит не на уже выпускаемых моделях, а на новых моделях, в конструкцию которых этот вид проката заложен изначально и выполнена вся необходимая подготовка производства.
Динамика изменения структуры потребления автомобилестроителями различных типов оцинкованных сталей показана на рисунке 1 (данные с Международной конференции Адама Смита, г. Москва, 2-3 марта 2006 года).
Анализ показывает, что к 2000-2001 году объём применения оцинкованного проката достиг 80% от веса чёрного кузова автомобиля. При этом, увеличение общего объема применения оцинкованного проката произошло за счёт увеличения объёма применения ГЦ-проката, в том числе и высококачест-венного ГЦ-проката для лицевых панелей. Это в первую очередь связано с меньшей себестоимостью его изготовления по сравнению с электрооцинко-ванным прокатом и соответственно меньшей ценой. Качество ГЦ-проката и имеющиеся в настоящее время современные технологии штамповки, сварки и окраски позволяют применять его, в том числе и для лицевых деталей.
АВТОВАЗом проведён анализ материалов, применяемых для изготовления лицевых деталей кузовов автомобилей зарубежного производства.

 

 

* Поскольку информация о материалах, используемых в конструкции автомобиля, не является открытой, использовались различные источники информации, в том числе результаты собственных исследований, данные зарубежных испытательных центров, источники научно-технической информации.

Проведённый анализ подтверждает, что практически все ведущие мировые производители перешли на использование двухстороннего оцинкованного проката для лицевых деталей (рисунок 2 ).

 

Примечание:
*- по данным исследований автомобилей 2001 - 2003 года выпуска в Шведском институте коррозии.
** - по данным исследований автомобилей аналогов в ИЦ ДТР
ОАО «АВТОВАЗ»
***- по данным научно-технической информации, отчётам о командировках, спецификаций на материалы автомобилей.

 

 

3. Эволюция антикоррозионной защиты автомобилей ВАЗ:
В ОАО «АВТОВАЗ» антикоррозионная защита выпускаемых автомобилей постоянно совершенствуется, главным образом за счет применения более совершенных материалов и технологий для подготовки поверхности и окраски кузова, защиты внутренних полостей и зафланцовочных соединений, применения оцинкованных сталей. (рисунок 3).
Базовые моменты эволюции:

  • Применение оцинкованного листа возросло с 11 до 50%.
  • Внедрение на а/м «1118» и «2170» фосфатов 4-го поколения (на «Калине» внедрено фосфатирование погружением).
  • Переход грунтования с анафареза (солестойкость – 96 час.) на катафорез (солестойкость 1500 час.)

 

Одним из основных факторов, позволивших существенно, с 3 до 8 лет, поднять гарантированную стойкость кузовов автомобилей ВАЗ от сквозной коррозии, является увеличение объёма применения оцинкованного проката.
Развитие концепции применения оцинкованного проката для коррозионной защиты кузова автомобилей ВАЗ показано на рисунке 4
На основании длительных испытаний и анализа опыта эксплуатации автомобилей ВАЗ в различных климатических зонах (в Республике Куба, Скандинавии, на Черноморском побережье, в европейских регионах России, Приморье), к началу проектирования автомобилей семейства ВАЗ-2110 сложился перечень наиболее коррозионно-опасных зон кузова, которые необходимо было защищать с использованием оцинкованных сталей. Суммарная масса оцинкованных деталей в проектном варианте составляла порядка 50% от веса кузова. Это минимально необходимый объём, для обеспечения защиты от сквозной коррозии на срок до 8 лет. Для лицевых деталей используется односторонний ЭЦ1-прокат, для внутренних – ЭЦ1 и ЭЦ2-прокат.
К началу проектирования и запуска в производство автомобиля ВАЗ-1118 в качестве альтернативы к электрооцинкованному прокату в РФ было освоено производство высококачественного горячеоцинкованного автомобильного листа. При этом, как показывает мировой опыт, себестоимость изготовления горячеоцинкованного проката на 10-15% ниже, чем электрооцинкованного. В связи с этим, для снижения затрат на производство, все внутренние детали автомобиля ВАЗ-1118 были спроектированы из ГЦ-проката, а лицевые из ЭЦ1-проката. Применение двухстороннего ГЦ-проката позволило, при том же весовом соотношении (порядка 50% от веса кузова), увеличить площадь кузова, защищённую цинком, с 29% до 52%.
Комплекс мероприятий антикоррозионной защиты, выполненный на моделях семейства 2110 и 1118, с учётом данных требований позволил обеспечить гарантированную защиту от сквозной коррозии на срок не менее 8 лет. За всё время выпуска и эксплуатации автомобилей семейства 2110 обращений потребителей с претензиями по возникновению сквозной коррозии не было.
Однако, в последнее время, в связи с появлением на российском рынке реальной конкуренции со стороны зарубежных производителей, серьёзно повысились и потребительские требования покупателей автомобилей ВАЗ. В том числе, увеличилось и количество автомобилей предъявляемых к возврату из-за возникновения так называемой косметической коррозии.
Для оценки косметической коррозии оцинкованных сталей с лакокрасочным покрытием освоены международные методики VDA 621-415 (лабораторный циклический тест) и VDA 621-414 – натурные испытания на производственной площадке ВАЗа в течение 9-12 месяцев, которая включает еженедельный полив образцов 3 % раствором соли (хлористый натрий). По лабораторному циклу у нас испытываются также окрашенные кузова в специальной камере. (рисунок 5, рисунок 6, рисунок 7, рисунок 8)
Вот почему , уважаемые коллеги, мы сегодня говорим о цинке как об основной эффективной защите автомобиля в период эксплуатации.

 

 

4. Ситуация сегодня.
Сегодня мы потребляем около 10 тысяч тонн оцинкованных сталей в месяц.
В 2007г. ОАО «НЛМК» являлся основным поставщиком подката 1 группы для последующего оцинкования (ОАО «ММК» с 2007 года являлся основным поставщиком подката 2-й группы отделки поверхности на ОАО «АК ЛМЗ»). Достигнутый уровень качества проката ОАО «НЛМК» (и подката) высокий 2,3% , освоено производство ГЦ – проката шириной до 1800 мм.
«Севергал» поставил на «АВТОВАЗ» ГЦ-проката около 14 тыс. тонн в 2007г. Весь объем для внутренних деталей.
По ЭЦ-прокату отмечается рост отклонений (рисунок 9).
(Качество ЭЦ-проката в основном зависит от качества подката. А поставщики подката менялись с середины 2006 г. и начала 2007 г. кардинально: НЛМК- Северсталь – ММК – и опять НЛМК(резкие повороты не на пользу). В 2008 г. единственным поставщиком подката был поставщик ОАО «Северсталь». Основные дефекты, как было отмечено, дефекты связанные с подкатом – серые пятна, плена, механические повреждения. Имеются так же замечания связанные с качеством покрытия – это различного вида загрязнения, касание (черчение) анодов, разнотон покрытия).
Практически решены вопросы по механическим свойствам, имеются лишь незначительные отклонения по завышенному пределу текучести (менее 0,2% отклонений ).
Качество ГЦ-проката производства ОАО «ММК», СП «Севергал», ОАО «НЛМК» удовлетворительное. Подкат из стали марок 01ЮТ и 006IF обеспечивает высокие механические свойства. Замечаний по низкой адгезии покрытия нет. Основной дефект – это белая коррозия цинкового покрытия, связанная с качеством упаковки и условиями транспортировки.

 

 

5.Концепция применения предварительно покрытых сталей (ППС)
для перспективных моделей автомобилей ВАЗ.
Концепция выбора и применения материалов для изготовления кузовов автомобилей у каждого автозавода своя (сталь, алюминий, лист и профиль).
Конечно, защита кузовов от коррозии – главная цель применения предварительно покрытых сталей, однако не единственная мера достижения поставленной задачи. Возможно движение в направлении внедрения дополнительных мест нанесения уплотнительных мастик для защиты сварных швов, днища кузовов, установка локеров, протекторная защита цинком, применения окрасочных материалов нового поколения.
АВТОВАЗ стал применять х/к листовую сталь с покрытием в конструкции кузовов для семейства LADA – SAMARA в середине 80-х годов всего 16 деталей (передние крылья, накладки боковин, панель рамки радиатора) изготавливаемых из цинкрометалла. Этот материал имел свои недостатки: осыпание цинка по кромкам вырубаемых заготовок и попадание в рабочую зону штампа, что приводило к выпуклостям на лицевых панелях. Этот материал не нашел дальнейшего применения.
Позже встал вопрос о выборе материала для изготовления кузовов: электрооцинкованный или горячеоцинкованный, ZnNi или ZnFe, цинк плюс органика и т.д. В дальнейшем АВТОВАЗ пошел по европейскому пути - выбора ЭЦ проката.
Применение ЭЦ- проката позволило резко повысить видовое качество деталей- уменьшить появление дефекта «выпуклости» за счет устранения осыпания покрытия при вырубке заготовок и штамповке.
До настоящего времени основной концепцией покрытых сталей на АВТОВАЗе является применение проката с односторонним покрытием для лицевых панелей и с двусторонним для внутренних деталей, там, где это позволяет действующая технология – качество штамповок, возможности сварочного оборудования, наличие местной вытяжной вентиляции при рихтовке. Такой подход был и остается для семейства LADA 2110, при изготовлении которых применялось свыше 55% предварительно покрытых сталей от массы кузова и это все были лицевые панели с покрытием с одной стороны (кроме крыши), а также внутренние двери, пол и другие. Данная работа проводилась в середине 90-х.
Такой выбор обусловлен применением абразивной обработки кузовов перед окраской, что при отсутствии местной вентиляции делает невозможным применение 2-х стороннего покрытия на лицевых панелях из-за превышения ПДК Zn в воздушной среде, а также другими технологическими моментами изготовления сварных соединений с использованием предварительно покрытых сталей: сужение диапазона режимов сварки (сварочный ток, усилие сжатия); ограничение максимальной толщины свариваемого пакета листов; типа сварочных электродов и марки электродного материала, периодичности зачистки; методики разрушающего и неразрушающего контроля качества сварных соединений на образцах и на готовых кузовах, критерии оценки качества.
В условиях отечественных металлургических комбинатов (ОАО «НЛМК», ОАО «ММК», ОАО «ЧерМК» на СП «Севергал») имеется техническая возможность изготовления на Агрегатах непрерывного горячего цинкования ГЦ-проката различных уровней прочности как низколегированных сталей (HSLA) классов прочности LA260/300/340/380/420, так и двухфазных (DP) и сталей c остаточным аустенитом - TRIP, горячеоцинкованного проката из IF сталей ( марок 01ЮТ, 006/IF) с ВН-эффектом классов прочности К180, К220 и К240, а так же горячеоцинкованного проката для лицевых деталей кузова автомобилей ВАЗ.
Однако в настоящее время в условиях АВТОВАЗа имеется техническая возможность переработки только ГЦ-проката класса прочности до К220/340 и не имеется возможности применения двухстороннего оцинкованного проката для лицевых деталей. (рисунок 10 и рисунок 11 )
В настоящий момент имеются согласованные ТУ на поставку ППС со всеми металлургическими комбинатами , но мы готовим базовую нормативную документацию на поставку горячеоцинкованного проката для лицевых деталей автомобиля. Ведется работа по определению и уточнению дополнительных требований к прокату для отображения в заказных спецификациях (шероховатость поверхности Ra, волнистость Wa, количество пиков на см RPc и другие), в том числе в сотрудничестве с Магнитогорским техническим Университетом. Толщина покрытия должна быть 6-9 мкм (110 –165 г/м2).

 

 

6. Технические особенности переработки ППС, в том числе высокопрочных сталей.
На АВТОВАЗе применяются методики и оборудование для оценки качества поверхности проката и для оценки технологических свойств материала: визуальное наблюдение, оценка с применением увеличительных приборов после деформации, применение технологических испытаний на вытяжку и формовку для выявления скрытых дефектов (плена, закатанная риска). Существуют методики оценки адгезии покрытия с созданием жесткой схемы деформирования сжатия-растяжения изгибом.
«АВТОВАЗ» получил два патента на способ и установку определения адгезии оцинкованного проката. Предложения направлены в НЛМК, ММК, «Северсталь» и Лысьву. (рисунок 12)

 

Штамповка

При штамповке покрытых сталей необходимо учитывать:

  • особенности транспортировки и хранения проката с покрытием (типы упаковки, используемые консервационные и консервационно-технологические смазки типа «Прелюб», складирование), т.к. основным дефектом ГЦ-проката является «белая» коррозия .
  • технологические особенности изготовления лицевых деталей из предварительно покрытых сталей, в частности на операциях: вырубка заготовок, транспортировка и хранение, мойка заготовок, штамповка, транспортировка и хранение деталей.
  • методики и оборудование для оценки качества поверхности готовых деталей, допустимые и недопустимые дефекты (риски, выпуклости, заусенцы и т.п.) критерии оценки годности детали по различным дефектам.
  • материалы, используемые для изготовления штампов, требования к поверхности, в том числе хромирование , технологии упрочнения, ремонта. (рисунок 13 и рисунок 14)
  • технологические особенности процесса подготовки поверхности деталей под окраску.

 

Покрытые горячим цинком стали ведут себя в штампе по-другому в сравнении с электрооцинкованным прокатом. ГЦ-покрытие эффективнее снижает трение, ведет себя как смазка.
Применение ЭЦ- проката имеет и свои недостатки, так отмечено появление задиров, обусловленных высокими контактными нагрузками, по механизму адсорбционного трения. Более высокие контактные напряжения при штамповке возникают из-за натяжения (обтяжки по пуансону) на порогах. Более мягкий металл Zn в сравнении со сталью адсорбирует на чугунном пуансоне.
При вытяжке происходит проскальзывание металла по пуансону в начальный момент вытяжки без высоких контактных нагрузок, которое приводит к появлению рисок длиной до 30 мм. Наличие таких рисок в зоне близкой к меньшему радиусу и последующим приложением высоких контактных нагрузок приводит к появлению задиров длиной до 8 мм. (рисунок 15)
Природа образования частичек обусловлена осыпанием и шелушением Zn покрытия при деформации стали с покрытием и является неизбежным явлением, хотя при применении различных типов покрытий проявление осыпания и шелушения может варьироваться в широких пределах.
Все это влечет за собой образование дефектов «выпуклости» при штамповке.
Действенной мерой борьбы с дефектами, связанными с налипанием частичек цинка является упрочнение и хромирование штампов. Слой хрома, нанесенный на поверхность чугуна, закрывает дефекты и включения, обеспечивая гладкую, полированную, однородную поверхность и отсутствие налипаний.(рисунок 16)
Закупка первой новой современной автоматической линии штамповки запланирована на будущий – 2009 год. А штамповка деталей на ней, согласно бизнес-плану , начнется в феврале 2010 года.
Мы ведем большую работу по консервационно-технологическим смазкам типа «Прелюб». Для неё разработаны технические требования, с нашим сотрудничеством ООО «Волгохимнефть» разработало отечественную смазку серии «Прелюб» - Волгол-131 и Росойл –710 с ХТЦ УАИ.

 

 

Сварка

Более высокими технологическими свойствами при точечной контактной сварке обладает сталь с покрытием ЭЦ-1. Далее, в порядке убывания, – ЭЦ-2, Zn-Fe, ГЦ-2.
Требуется увеличение тока сварки на 10-15 % при точечной контактной сварке стали с покрытием ГЦ-2 по сравнению с ЭЦ.
Оборудование для точечной контактной сварки сталей с двухсторонними покрытиями ГЦ-2 и Zn-Fe должно иметь двухсторонний токоподвод и автоматическую зачистку электродов.
Использование любой сварочной оснастки не позволяет получить сварную точку без деформации лицевой поверхности детали. Получение «бесследных» сварных точек возможно только с последующей механической доработкой, что не приемлемо при использовании ГЦ-проката.

 

МИГ-пайка*:


*МИГ пайка-процесс получения соединения, сравнимый со сваркой металла в среде защитного газа, однако с более низким вложением тепла без расплавления основного металла и отсутствием разбрызгивания присадочной проволоки.

 

В настоящее время при соединении деталей и узлов из предварительно покрытых сталей на ряде ведущих автомобильных фирм (Опель, Форд, Пежо, Рено и др.) используется MIG пайка бронзовыми проволоками (CuSi3, CuSi2Mn и тп).
Снижение тепловложения достигается использованием менее тугоплавкого присадочного материала и использование сварочных источников питания с контролируемым переносом присадочного материала в сварочную ванную. Площадь коррозионных повреждений стыков, запаянных MIG пайкой меньше, чем на стыках выполненных сваркой в СО2 – для зоны термического влияния в 2 раза, для швов в 3 раза. Для защиты металла от коррозии лучше использовать цинковые покрытия в сочетании с MIG пайкой.
По механическим свойствам, а именно по относительному удлинению швов, выполненных MIG пайкой находится на уровне свойств автолиста. Стоимость полностью укомплектованного полуавтомата для MIG пайки 10-12 тысяч долларов.
Применение MIG пайки по сравнению со сваркой в СО2 позволит значительно увеличить коррозионную стойкость соединений из покрытых сталей, уменьшить механическую обработку стыков, исключить такой дефект как налипание брызг присадочного металла.

 

 

Окраска :
Для успешного применения оцинкованных сталей в кузове автомобиля были разработаны и внедрены материалы для совместной обработки стальных и оцинкованных поверхностей – так называемый процесс трех-катионного ZnNiMn фосфатирования. Для окраски кузовов авт. сем. ВАЗ-1118 был запущен новый цех окраски с современным оборудованием фирмы «Айзенман», в технологии окраски внедрены :
- более совершенные материалы для подготовки поверхности перед окраской, так,3-х катионный ZnNiMn фосфатирующий раствор содержит фториды, особенно необходимые для фосфатирования горячеоцинкованных сталей.
Фосфатирование проводится методом погружения, материалы фирмы «Хеметалл»
- современная высококоррозионная 2-х компонентная катафорезная грунтовка фирмы PPG;
- вторичная грунтовка на полиэфирной основе, что резко повышает стойкость ЛКП к ударам камней и щебня.
Поэтому можно считать, что с учетом применения дополнительной антикоррозионной защиты мастиками стыков , фланцев, сварных швов проблемные вопросы по антикоррозионной защите кузовов в основном решены.
Остается вопрос декоративности лакокрасочного покрытия. Визуальный эффект лакокрасочного покрытия один из наиболее сложных специфических критериев, которыми должны руководствоваться в своей работе производители стали.
Характеристикой визуального эффекта ЛКП является эстетический эффект окрашенного стального листа. Поэтому при изготовлении проката для лицевых деталей кузова важными параметрами микрогеометрии листа становятся такие, как волнистость (Wa) – наиболее влияющая на внешний вид ЛКП.
Лакокрасочная система действует подобно фильтру, сквозь который просвечивают неровности поверхности металла, длина волн которых превышает 800 мкм. Это относится к показателю «волнистость». По данным специалистов – лакокрасочников фирмы «PPG» нормой данного показателя для ГЦ-проката на лицевые детали кузова является значение Wa= 2-2,1 мкм (база 2,5мм). Шероховатость (Rа) – не более 1,3мкм.
Уважаемые коллеги, основным направлением нашей совместной работы
должно быть применение двухстороннего оцинкованного проката не только для внутренних, но и для лицевых деталей. В этом случае площадь кузова, защищённая цинком, увеличится с 52 % до 80 % за счёт лицевых деталей. Это позволит не только поднять стойкость к сквозной коррозии (с 8 до 10 лет), но и самое главное, значительно снизить риск возникновения так называемой «косметической» коррозии, возникающей на видовых деталях в местах их соединения, повреждения ЛКП, фланцах, торцах деталей и т.д. в гарантийный период эксплуатации автомобиля «LADA».
В настоящее время на ОАО АВТОВАЗ прорабатываются два направления увеличения использования ППС: первое – использование горячеоцинкованного проката только на внутренние детали кузова автомобиля, второе – использование двухстороннего горячеоцинкованного проката как для внутренних, так и на внешние (лицевые) детали кузова.
Оба направления являются основными для перспективных моделей, в т.ч. новой платформы В/С. Прогнозы потребления оцинкованного проката, исходя из концепции модельного ряда и программы производства, до 2013 года представлены на рисунках: 17, 18, 19, 20.
Анализ потребности оцинкованного проката по двум вариантам показывает рост применения объемов проката как минимум в два раза, по сравнению с сегодняшним днем, особенно горячеоцинкованного.

 

Вот Вам, уважаемые металлурги, и перспектива для применения оцинкованного проката на Волжском Автозаводе.
Сегодня в подкрепление наших работ достигнута договоренность с ЦНИИчерметом о реализации договора с финансированием из Федерального бюджета, по листовому металлу, в том числе двухстороннего оцинкованного листа.

 

 

Автор : Азизбекян В.Г., к.т.н. ОАО "АВТОВАЗ"

 

Опубликована : 13.11.2008

Просмотров : 14081

© НКП «Центр по развитию Цинка», 2000-2010. Все права защищены.
Тел: +7 (495) 772-07-39; Тел/факс: +7 (495) 955-01-98