خصائص فولاذ التصلد بالضغط: دليل تقني للقوة وقابلية التشكيل

باختصار

فولاذ التحويل بالضغط (PHS)، والمعروف أيضًا باسم الفولاذ المصهور حراريًا أو الفولاذ البوروني، هو سبيكة عالية القوة جدًا (عادةً 22MnB5) مصممة لمكونات السلامة في السيارات. يُورد هذا الفولاذ في حالة لينة من البيرلايت والفريت (مقاومة الخضوع ~300–600 ميغاباسكال)، لكنه يتحول إلى هيكل مارتنزيتي صلب للغاية (مقاومة الشد 1300–2000 ميغاباسكال) بعد تسخينه إلى درجة حرارة ~900°م ثم تبريده بسرعة داخل قوالب مبردة. هذه العملية تقضي على ظاهرة الارتداد المرن، وتسمح بتشكيل هندسات معقدة، وتمكن من تقليل كبير في الوزن ضمن هياكل التصادم الحرجة مثل أعمدة A والمصدات.

ما هو فولاذ التحويل بالضغط (PHS)؟

الفولاذ المعزز بالضغط (PHS)، الذي يُشار إليه غالبًا في صناعة السيارات باسم الفولاذ المطبوع ساخنًا أو الفولاذ المشكل حراريًا، يمثل فئة من الصلب المصنوع بسبيكة البورون والتي تخضع لعملية تشكيل حرارية وميكانيكية متخصصة. وعلى عكس الصلب المطابع البارد التقليدي الذي يتم تشكيله عند درجة حرارة الغرفة، فإن فولاذ PHS يُسخن حتى يصل إلى الحالة الأوستنيتية، ثم يُشكل ويُبرد فورًا داخل قالب مبرد.

الدرجة القياسية لهذه العملية هي 22MnB5 ، وهي سبيكة من الكربون-المنغنيز-البورون. إن إضافة البورون (عادةً بنسبة 0.002–0.005%) أمر بالغ الأهمية لأنها تحسّن بشكل كبير قابلية التصلد للفولاذ، مما يضمن تحقيق بنية ميكروسكوبية خماسية كاملة حتى عند معدلات التبريد المعتدلة. وفي حالة عدم وجود البورون، قد يتحول المادة إلى طور ألين أكثر ليونة مثل البينيت أو البيرلايت أثناء مرحلة التبريد السريع، ما يؤدي إلى عدم الوصول إلى مقاومة الشد المستهدفة.

التحول الأساسي الذي يُكسب الفولاذ عالي الصلابة (PHS) قيمته هو تحوّل مجهرية البنية. يتم تسليم المادة على شكل صفيحة لينة مكوَّنة من فيريت وبيارلايت، مما يجعلها سهلة القطع والمناورة. أثناء عملية التشكيل الحراري، تُسخن المادة فوق درجة حرارة الأوستنيت (عادةً ما بين 900–950°م). وعندما توضع الصفيحة الساخنة داخل القالب، تُبرد بسرعة عالية (بمعدلات تتجاوز 27°م/ثانية). يؤدي هذا التبريد السريع إلى تفادي تكوّن البنى المجهرية الأضعف، ويحوّل الأوستنيت مباشرةً إلى المارتنزيت مارتنزيت، وهو الشكل الأكثر صلابةً في بنية الفولاذ.

الخصائص الميكانيكية: الحالة عند التسليم مقابل الحالة المُصلدة

بالنسبة للمهندسين وأخصائي المشتريات، فإن الجانب الأكثر أهمية في خصائص فولاذ التصلد بالضغط هو الفرق الكبير بين حالته الأولية وحالته النهائية. هذه الثنائية تسمح بإجراء عمليات تشكيل معقدة (عندما تكون المادة لينة) وتوفر أداءً استثنائيًا (عندما تكون صلبة).

يقارن الجدول أدناه الخصائص الميكانيكية النموذجية للدرجة القياسية 22MnB5 قبل وبعد عملية تصلد الضغط:

تحليل قوة الخضوع: عادةً ما تتضاعف قوة الخضوع ثلاث مرات خلال العملية. في حين يتصرف المعدن عند التسليم بشكل مشابه للصلب الهيكلي القياسي، فإن المكون النهائي يصبح صلبًا ومقاومًا للتشوه، مما يجعله مثاليًا لاستخدامه في أقفاص السلامة المقاومة للتسلل.

الصلابة والقدرة على التشغيل الآلي: إن الصلابة النهائية البالغة 470–510 HV تجعل عملية القص أو الثقب الميكانيكي صعبة للغاية وتؤدي بسهولة إلى تآكل الأدوات، وبالتالي تُجرى معظم عمليات القص على أجزاء PHS النهائية باستخدام قطع الليزر (انظر بيانات SSAB الفنية ) أو قوالب قص خاصة قبل أن يبرد الجزء تمامًا مباشرة.

الدرجات الشائعة من PHS والتركيب الكيميائي

رغم أن 22MnB5 لا يزال هو الدرجة الأساسية في الصناعة، إلا أن الطلب على مكونات أخف وأقوى دفع إلى تطوير عدة متغيرات. وعادةً ما يختار المهندسون الدرجات بناءً على التوازن بين القوة القصوى والمطيلية المطلوبة لامتصاص الطاقة.

• PHS1500 (22MnB5): الدرجة القياسية بمقاومة شد تبلغ حوالي 1500 ميجا باسكال. تحتوي على نحو 0.22٪ من الكربون، و1.2٪ من المنغنيز، وكمية ضئيلة من البورون. وتوازن بين القوة والمتانة الكافية لمعظم التطبيقات الأمنية.
• PHS1800 / PHS2000: درجات جديدة فائقة القوة ترفع مقاومة الشد إلى 1800 أو 2000 ميجا باسكال. وتتحقق هذه الدرجات من قوة أعلى من خلال زيادة طفيفة في محتوى الكربون أو تعديل السبائك (مثل السيليكون/النيوبيوم)، ولكن قد تكون متانتها أقل. وتُستخدم في الأجزاء التي يكون فيها مقاومة الاختراق أولوية وحيدة، مثل عوارض المصدات أو عوارض السقف.
• الدرجات المطيلة (PHS1000 / PHS1200): وتُعرف أيضًا باسم فولاذ التبريد بالضغط (PQS)، وقد صُممت هذه الدرجات (مثل PQS450 أو PQS550) للحفاظ على استطالة أعلى (10–15٪) بعد التصلب. وغالبًا ما تُستخدم في "المناطق اللينة" للعمود B لامتصاص طاقة التصادم بدلاً من نقلها.

يتم التحكم بدقة في التركيب الكيميائي لمنع مشكلات مثل هشاشة الهيدروجين، خاصةً في الدرجات ذات القوة العالية. ويُحتفظ عادةً بمحتوى الكربون أقل من 0.30٪ للحفاظ على قابلية لحام معقولة.

الطلاءات ومقاومة التآكل

يتأكسد الفولاذ غير المطلي بسرعة عند تسخينه إلى 900°م، مما يشكل طبقة صلبة تُحدث تلفًا في قوالب الختم وتحتاج إلى تنظيف كاشط (مثل الرمي بالكرات) بعد التشكيل. ولتجنب ذلك، تستخدم معظم تطبيقات PHS الحديثة صفائح مغلفة مسبقًا.

ألمنيوم-سيليكون (AlSi): يُعد هذا هو الطلاء السائد في عملية الختم الساخن المباشر. فهو يمنع الترقق أثناء التسخين ويوفر حماية حاجزية ضد التآكل. وتتكوّن طبقة AlSi من سبيكة مع الحديد في الفولاذ خلال مرحلة التسخين، ما يُنتج سطحًا متينًا يتحمل الاحتكاك الانزلاقي للقالب. وعلى عكس الزنك، لا يوفر حماية غالفانية (ذاتية الشفاء).

طلاءات الزنك (Zn): توفر الطلاءات القائمة على الزنك (المصنعة أو المصنعة بالزنج) حماية عالية من التآكل الكاثودي ، وهو أمر قيّم للأجزاء المعرضة للبيئات الرطبة (مثل المتحركات). ومع ذلك، يمكن أن يسبب الطابع الساخن القياسي تحلل المعادن السائلة (LME) حيث يخترق الزنك السائل حدود الحبوب الصلبة مما يسبب الشقوق الصغيرة. غالبا ما تكون هناك حاجة إلى عمليات متخصصة "غير مباشرة" أو تقنيات "التبريد المسبق" لإدارة PHS المغطاة بالزنك بأمان.

المزايا الرئيسية للهندسة

تم تحفيز اعتماد خصائص الصلب الصلب المضغوط من خلال تحديات هندسية محددة في تصميم المركبات. تقدم المادة حلول لا يمكن أن تتناسب مع الصلبات ذات الصلة المنخفضة عالية (HSLA) أو الصلبات ذات المرحلتين (DP) المطبوعة باردة.

• الوزن الخفيف للغاية: باستخدام قوى 1500 مبا أو أعلى، يمكن للمهندسين تقليل سمك الجزء (التقليل) دون المساس بالسلامة. يمكن تخفيض الجزء الذي كان مرة واحدة سميكة 2.0mm في الصلب القياسي إلى 1.2mm في PHS، وتوفير وزن كبير.
• (زرو سبرينج باك) في ختم البارد، تميل الفولاذات عالية القوة إلى "الارتداد" إلى شكلها الأصلي بعد فتح القالب، مما يجعل الدقة الأبعادية أمرًا صعبًا. أما الفولاذ المطلي بالحرارة (PHS) فيتشكل وهو ساخن ولين (أوستنيت) ويصلب بينما يكون مقيدًا داخل القالب. وهذا يُثبّت الشكل الهندسي في مكانه، ما يؤدي عمليًا إلى ارتداد صفري ودقة أبعادية استثنائية.
• الهندسة المعقدة: نظرًا لأن التشكيل يحدث عندما يكون الفولاذ مرنًا (~900°م)، يمكن تشكيل أشكال معقدة ذات سحب عميقة وانحناءات ضيقة في ضربة واحدة — وهي هندسات قد تنفصل أو تتصدع لو حاول تشكيلها باستخدام فولاذ عالي القوة جدًا في الحالة الباردة.

التطبيقات النموذجية في صناعة السيارات

يُعد الفولاذ المطلي بالحرارة (PHS) المادة المفضلة لهيكل "قفص الأمان" في المركبات الحديثة — الهيكل الصلب المصمم لحماية الركاب أثناء التصادم ومنع اختراق الكابينة.

المكونات الحرجة

تشمل التطبيقات القياسية أعمدة A، وأعمدة B، وقضبان السقف، وتعزيزات النفق، ولوحات الروكر، وعتبات منع اختراق الأبواب . في الآونة الأخيرة، بدأ المصنعون في دمج PHS داخل وحدات بطاريات المركبات الكهربائية لحماية الوحدات من التصادمات الجانبية.

خصائص مخصصة

تتيح التصنيعات المتقدمة تقنية "التسخين المخصص"، حيث تُبرد مناطق محددة من جزء واحد (مثل قاع عمود B) بشكل أبطأ للحفاظ على ليونتها وقابليتها للتشكل، في حين تصبح الجزء العلوي صلبًا بالكامل. ويُحسّن هذا المزيج أداء الجزء من حيث مقاومة الاختراق وامتصاص الطاقة معًا.

بالنسبة للمصنّعين الذين يسعون إلى تنفيذ هذه المواد المتقدمة، فإن الشراكة مع مصنّعين متخصصين أمر ضروري. شركات مثل تكنولوجيا المعادن شاوي يي تقدم حلولًا شاملة لأجزاء ختم السيارات، وتتمتع بالقدرة على تلبية متطلبات الأحمال العالية (تصل إلى 600 طن) وإدارة احتياجات الأدوات الدقيقة لمكونات السيارات المعقدة، من النماذج الأولية السريعة إلى الإنتاج الضخم وفقًا لمعايير IATF 16949.

الاستنتاج

تمثل خواص فولاذ التصلب بالضغط تكاملًا حيويًا بين علم المعادن وعملية التصنيع. ومن خلال الاستفادة من التحول الطوري من البيرلايت إلى المارتنسايت، يحقق المهندسون مادة قابلة للتشكيل بما يكفي لتصميمات معقدة، وفي الوقت نفسه قوية بما يكفي لحماية الأرواح. ومع تطور الدرجات نحو 2000 ميجا باسكال وما بعدها، سيظل الفولاذ المُصلب بالضغط ركيزة أساسية في استراتيجيات السلامة وتخفيف الوزن في صناعة السيارات.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين الختم الساخن والتصلب بالضغط؟

لا يوجد فرق؛ فالمصطلحان يستخدمان بالتبادل. ويُشير مصطلح "التصلب بالضغط" إلى عملية التصلب المعدني التي تحدث داخل القالب، في حين يُشير مصطلح "الختم الساخن" إلى طريقة التشكيل. وكلا المصطلحين يصفان نفس التسلسل التصنيعي المستخدم لإنتاج أجزاء من الفولاذ المارتنسايتي عالي القوة.

لماذا يُضاف البورون إلى فولاذ التصلب بالضغط؟

يتم إضافة البورون بكميات صغيرة (0.002–0.005%) لزيادة قابلية التصلب للصلب بشكل كبير. ويعمل على تأخير تكوين البنى المجهرية الألين مثل الفريت والبيرلايت أثناء التبريد، مما يضمن تحول الصلب إلى مارتنزيت صلب بالكامل حتى عند معدلات التبريد المستخدمة في القوالب الصناعية للتسوية.

3. هل يمكن لحام فولاذ التصلب بالضغط؟

نعم، يمكن لحام فولاذ التصلب بالضغط (PHS)، ولكن يتطلب معاملات محددة. وبما أن المادة تحتوي عادةً على نسبة كربون تبلغ حوالي 0.22%، فهي متوافقة مع لحام المقاومة النقطي (RSW) ولحام الليزر. ومع ذلك، يؤدي اللحام إلى تليين منطقة المتأثرة حراريًا (HAZ) بشكل طفيف، ويجب أخذ ذلك بعين الاعتبار في التصميم. بالنسبة للفولاذ المطلي بـ AlSi، يجب إزالة الطلاء (عن طريق الاستئصال بالليزر) أو إدارته بعناية أثناء اللحام لمنع تلوث بركة اللحام.