Накратко

The процес на горещо щамповане с борна стомана (известен още като пресоване с втвърдяване) е термичен формов метод, който трансформира нисколегирана борна стомана — обикновено 22MnB5 — от феритно-перлитна микроструктура (~600 MPa) в напълно мартенситно състояние (~1500 MPa). Тази трансформация се постига чрез нагряване на заготовката до температури на аустенизация ( 900–950°C ) и последващо оформяне и закаляване вътре във водно охлаждаем матричен инструмент при скорости над 27°C/s . Процесът позволява производството на сложни, леки автомобилни компоненти с изключително висока якост и нулево възстановяване след деформация, като B-колони и покривни релси.

Физиката на горещото щамповане: директни срещу индиректни методи

Горещото щамповане не е единен процес; то се разделя на два различни метода — Директен и Индиректен — определя се от момента, в който формоването се извършва спрямо топлинния цикъл. Разбирането на тази разлика е от решаващо значение за инженерите по процеси при избора на оборудване за конкретни геометрии на детайли.

Директно горещо штамповане

Директният метод е промишленият стандарт за повечето структурни компоненти поради неговата ефективност. При тази последователност плоско заготовка първо се нагрява в пещ до около 900–950°C за да се постигне хомогенна аустенитна структура. Нагрятата заготовка след това се прехвърля бързо (обикновено за под 3 секунди) към пресата, където едновременно се формира и закалява в охлажден инструмент. Този метод е икономически изгоден, но е ограничен от формуемостта на материала при високи температури; крайните дълбочини на изтегляне могат да доведат до отслабване или пукнатини.

Индиректно горещо штамповане

За детайли с изключително сложни геометрии, които надхвърлят границите на горещата формуемост на стоманата, се използва индиректният метод. Тук заготовката се формова на студено до почти окончателна форма (90–95% завършени) преди загряване. Предварително оформената част след това се аустенитизира в специализирана пещ и се прехвърля към пресата за окончателно калибриране и закаляване. Въпреки че това позволява по-сложни форми, значително се увеличава времето на цикъла и капиталовите разходи поради допълнителната стъпка на студено штамповане и необходимостта от системи за обработка на триизмерни форми в пещта.

Металургично преобразуване: Превръщане на 22MnB5 в мартензит

Основната стойност на горещото штамповане се крие в микроструктурната фазова трансформация на 22MnB5 стоманата. В доставено състояние тази легирана с бор стомана има феритно-перлитна микроструктура с граница на овлажняване приблизително 350–550 MPa и якост на опън около 600 MPa. Инженерството на процеса се насочва към управлението на три ключови променливи, за да се промени тази структура.

1. Аустенитизация

Стоманата трябва да се нагрее над горната критична температура (Ac3), типично около 850°C , въпреки че работните точки на процеса често варират от 900°C до 950°C за осигуряване на пълна трансформация. По време на времето на задържане (обикновено 4–10 минути в зависимост от дебелината и типа на пещта), въглеродът навлиза в твърд разтвор, създавайки аустенит. Тази кубична структура с центрирани среди (FCC) е дуктилна, което позволява сложни формовки с по-ниска тонаж в сравнение със студеното штамповане.

2. Ролята на бора и скоростите на охлаждане

Борът се добавя към сплавта (0,002–0,005 %), за да забави образуването на ферит и перлит по време на охлаждане. Този легиращ агент позволява на стоманата да се закали при управляема скорост — обикновено >27°C/с (критична скорост на охлаждане) — за да се избегне максимумът на кривата на бейнита и да се премине директно към мартенсит . Ако скоростта на охлаждане падне под този праг, се образуват по-меки фази като бейнит, което компрометира крайната якост.

3. Решението с Al-Si покритие

При температури над 700°C, голата стомана бързо окислява, образувайки твърд окалин, който поврежда матриците и изисква последващо обработване с пясък. За намаляване на този ефект, стандартни в индустрията материали като Usibor 1500P използват предварително нанесено алуминиево-силициево (Al-Si) покритие. По време на нагряването това покритие образува сплав с основния материал, като се формира дифузионен слой от Fe-Al-Si, който предотвратява окаляването и декарбонизацията. Тази иновация премахва необходимостта от защитни атмосфери в пещите и последващи стъпки за почистване, което опростява производствената линия.

Производствената линия: Критично оборудване и параметри

Внедряването на линия за горещо оформяне изисква специализирано оборудване, способно да управлява екстремни топлинни градиенти и високи натоварвания. Капиталовлаганията са значителни, често изисквайки стратегически партньорства за прототипиране и допълнително производство.

• Технология на пещта: Печите с ролкови лагери са стандарт за директно високотемпературно штамповане при големи обеми. Те трябва да поддържат температурна еднородност в рамките на ±5°C, за да се гарантират последователни механични свойства. При индиректни процеси или по-малки обеми могат да се използват камерни печи. Общото време на престой е функция на дебелината на заготовката и обикновено се изчислява като t = (дебелина × константа) + основно време , което често води до 4–6 минути за стандартни дебелини.
• Хидравлични и серво преси: За разлика от студеното штамповане, пресата трябва да задържи хода си в долна позиция, за да придобие детайла към охлажданите повърхности на матрицата. Хидравличен oR серво-хидравлични преси се предпочитат поради способността им да прилагат и поддържат максимално натоварване (често 800–1200 тона) за необходимото време на закаляване (5–10 секунди). Общото време на цикъла обикновено варира между 10 и 30 секунди.
• Инструменти и охлаждащи канали: Калъпът е топлообменник. Той трябва да има сложни вътрешни охлаждащи канали (често пробити или направени чрез 3D печат), за да циркулира вода с висока скорост. Целта е бързо отвличане на топлината, като се поддържа температурата на повърхността на инструмента под 200°С, за осигуряване на ефективно гасене.
• Рязане с лазер: Тъй като готовата детайл има якост на опън от около 1500 MPa, традиционните механични режещи калъпи се износват почти мигновено. Поради това лазерно тримване (обикновено 5-осни влаконни лазери) е стандартният метод за изрязване на отвори и окончателни контури след формоването.

За производителите, които преминават от прототип към масово производство, сложността на този оборудван верига може да бъде препятствие. Използването на Комплексните штамповъчни решения на Shaoyi Metal Technology може да преодолее този разрив. Техните възможности, които включват прецизна пресова обработка до 600 тона и спазване на стандарта IATF 16949, осигуряват необходимата инженерна инфраструктура за валидиране на параметрите на процеса и мащабиране на производството без незабавни големи капитали.

Напреднали приложения: Персонализирани свойства и меки зони

Съвременният дизайн за безопасност на превозни средства често изисква единичен компонент да притежава двойни свойства: висока устойчивост срещу навлизане (твърдо) и високо абсорбиране на енергия (меко). Горещото оформяне осъществява това чрез Подобрени свойства .

Технология за меки зони

Чрез контролиране на скоростта на охлаждане в определени области на матрицата, инженерите могат да предотвратят мартензитната трансформация в локализирани зони. Например, стълбът B може да има нужда от напълно мартензитен горен участък (1500 MPa), за да защити главата на пътника, но по-мек, дуктилен долен участък (500–700 MPa), който да абсорбира енергия при страничен удар. Това се постига чрез изолиране на определени части от инструмента или използване на нагревателни елементи, които поддържат температурата на матрицата над началната температура на мартензит (Ms), позволявайки вместо това да се образуват бейнит или ферит.

Персонализирани заварени заготовки (TWBs)

Друг подход включва лазерно заваряване на два различни стоманени класа или дебелини преди процеса на горещо штамповане. Заготовката може да комбинира лист от борна стомана с лист от дуктилна HSLA стомана. При горещо штамповане, борната страна затвърдява, докато HSLA страната запазва дуктилността, като се създава детайл с отделни зони на работни характеристики, без нужда от сложни системи за нагряване на матриците.

Стратегически анализ: Предимства, недостатъци и разходи

Решението за прилагане на горещо штамповане изисква сложен баланс между производителност и разходи. Следващият анализ набляга на ключовите фактори при вземане на решение за инженерите в автомобилната индустрия.