Накратко

Двухфазните (DP) стомани са напреднали високопрочни стомани (AHSS), характеризиращи се с микроструктура от твърди острови от мартензит, разпръснати в мека феритна матрица. Тази уникална комбинация осигурява ниско отношение предел на овлажняване към якост на опън (~0,6) и висока начална скорост на упрочняване при деформация (n-стойност), което ги прави идеални за сложни автомобилни штамповки, изискващи както добра формуемост, така и устойчивост при сблъсък. Въпреки това, успешно штамповане изисква управление на значителния риск от връщане след штамповане и пукания по ръбовете. Инженерите обикновено трябва да увеличат зазорите на пробива до 12–14% и да използват по-стабилни инструменти с напреднали покрития като TiC или CrN, за да се справят с повишените натоварвания и износване.

Микроструктура и механични свойства

Инженерната стойност на двуфазната стомана се крие в нейната характерна двуфазна микроструктура. За разлика от високояките нисколегирани (HSLA) стомани, които разчитат на уплътняване чрез преципитация, DP стоманите получават своите свойства от композитна структура: непрекъснато меко феритно матрично вещество, което осигурява дуктилност, и разпръснати твърди мартензитни острови, които осигуряват якост. При деформация напрежението се концентрира в по-меката феритна фаза около мартензита, което води до висок първоначален темп на упрочняване при пластична деформация (стойност n).

Тази микроструктура създава профил на механично поведение, специално оптимизиран за студено формоване. Докато HSLA класовете обикновено показват отношение предел на остатъчна деформация/предел на якост при опън (YS/TS) от около 0,8, DP стоманите запазват значително по-ниско отношение от приблизително 0,6. Този по-нисък предел на остатъчна деформация позволява по-ранно начало на пластичната деформация, което улеснява формирането на сложни форми, преди материала да достигне своя максимален предел на якост при опън. Забележка на производителя това високо n-стойност е особено изразено при по-ниски граници на деформация (4–6%), което помага разпределението на деформацията равномерно по цялата част и предотвратява локално стесняване в началото на хода на пресата.

Често срещани търговски класове — като DP590, DP780 и DP980 — се определят от тяхната минимална якост на опън (в MPa). С увеличаване на обемната фракция на мартензита якостта на опън нараства, но дуктилността естествено намалява. Инженерите трябва да балансират тези фактори, често избирайки по-ниски фракции мартензит за дълбоко изтеглени части и по-високи фракции за конструкционни релси, където противопробивната производителност е от първостепенно значение.

Предизвикателства при штамповката: Отскок и пукане по ръба

Точно тази характеристика, която прави DP стоманата желана — високата ѝ скорост на упрочняване при пластична деформация — води до основния производствен дефект: еластично връщане. Тъй като материала бързо се утвърдява по време на деформацията, напрежението от еластичното възстановяване, натрупано в детайла, е значително по-високо в сравнение с меките стомани. Това се проявява чрез огъване на страничните стени и промяна на ъглите след изваждане на детайла от матрицата, което затруднява постигането на размерна точност при сглобяването.

За намаляване на еластичното връщане технологичните инженери прилагат няколко стратегии при проектирането на матрици. Прекалено издигане на повърхнините на матрицата позволява на материала да се релаксира в правилната геометрия. Допълнително, проектирането на гофрирани ленти или ребра за засилване може да фиксира геометрията на място. По-напреднала техника включва прилагането на висока деформация в края на хода на пресата, за да се намалят остатъчните компресионни напрежения, което ефективно „закрепва“ формата.

Разкъртването по ръба е друг критичен режим на разрушаване, особено по време на операции по оформяне на фланци чрез разтягане. Разликата в твърдостта между мекия ферит и твърдия мартензит създава концентрация на напреженията в изрязаните ръбове, което води до образуване на микропукнатини, способни да слеят и да образуват пукнатини. SSAB препоръчва използването на специализирани класове "Dual Phase High Formability" (DH) за геометрии, изискващи дълбоко изтегляне или разтегнати ръбове. Тези AHSS класове от трето поколение използват микроструктури, подпомагани от ефекта TRIP (с запазена аустенит), за да запазят формируемостта при по-високи нива на деформация, като предлагат превъзходна устойчивост към разкъртване по ръба в сравнение със стандартните DP класове.

Указания за проектиране на инструменти и матрици

Щампусването на двуфазна стомана изисква основно преосмисляне на стандартните параметри на инструментите, използвани за мека стомана или HSLA. Най-важната корекция е зазорът на пуансона. Стандартните зазори от около 9% от дебелината на метала често довеждат до сериозно напукване по ръба при DP стоманите поради високата якост на срязване на материала.

Данни от Tata Steel показва, че увеличаването на зазора при пробиване до 12–14%значително подобрява качеството на ръба. В един практически случай увеличаването на зазора от 9% до 12% намалило разделянето на детайлите от 22% почти до нула. Този по-голям зазор променя състоянието на напрежение в режещия ръб, намалявайки склонността микронапуканията да се разпространяват към фланеца.

Износването на инструмента също се ускорява. Високите контактни налягане, необходими за формоване на DP стомана — често надвишаващи 600 тона за конструкционни елементи — могат да предизвикат залепване и бързо остаряване на матриците. Инструменталните стомани трябва да бъдат покрити с твърди повърхности с ниско триене, като карбид на титан (TiC) или нитрид на хром (CrN), за удължаване на междусервизните интервали. Освен това самата преса трябва да притежава достатъчна огъваемост, за да се предотврати деформация под тези високи натоварвания, което би нарушило допуснатите отклонения на детайлите.

За производителите, изправени пред тези повишени изисквания към оборудването, сътрудничеството със специализиран доставчик на обработки често е най-ефективният път. Shaoyi Metal Technology предлага комплексни решения за щамповане които преминават от прототипиране към масово производство. С възможности за пресоване до 600 тона и сертифициране по IATF 16949, те са оборудвани да отговарят на строгите изисквания за тонаж и прецизност при използването на напреднали високопрочни стомани като DP и DH класове за критични компоненти като лостове за управление и подрамки.

Закаляване чрез нагряване и окончателни характеристики

Един от скритите предимства на двуфазната стомана е ефектът "Закаляване чрез нагряване" (BH). Това явление се наблюдава по време на процеса на затопляне при боядисване на автомобили, обикновено около 170°C в продължение на 20 минути. По време на този термичен процес свободните въглеродни атоми в микроструктурата на стоманата дифундират и закрепват дислокациите, генерирани по време на формоването.

Този механизъм води до значително увеличение на границата на провлачване — обикновено с 50 до 100 MPa — без да се засягат размерите на детайла. Това увеличение на статичната якост позволява на инженерите в автомобилната индустрия да „намалят дебелината“ (да използват по-тънък материал), за да намалят теглото на превозното средство, като едновременно осигуряват съответствието на крайния продукт с целите за безопасност при сблъсване. Комбинацията от накърняване от работното усилие в пресата и закаляване по време на боядисване осигурява на крайния компонент изключителна способност за абсорбиране на енергия, което прави двойната стомана (DP) стандартния избор за елементи на безопасната кабина като B-стълбове, таванни релси и напречни греди.

Заключение: Оптимизиране за производство на AHSS

Двухфазният стоманен материал представлява критична равновесна точка в съвременната автомобилна инженерия, като предлага необходимата якост за спазване на изискванията за безопасност и дуктилността, нужна за осъществимостта на производството. Въпреки че материала поставя определени предизвикателства – по-специално относно управлението на еластичното възстановяване и износването на инструментите – те могат ефективно да бъдат преодолени чрез базирано на данни проектиране на матрици и подходящ избор на преси. Като се спазват уникалните физически свойства на феритно-мартенситната микроструктура и се коригират параметри като зазорината на пробива до препоръчителния диапазон от 12–14%, производителите могат напълно да използват потенциала на този универсален материал за намаляване на теглото и подобряване на представянето.

Често задавани въпроси

1. Какво е разликата между двухфазната стомана и HSLA стоманата?

Докато високоякостните нисколегирани (HSLA) стомани разчитат на микролегиращи елементи за уплътняване чрез преципитация, двуфазовите (DP) стомани разчитат на двуфазна микроструктура от ферит и мартензит. Това придава на DP стоманите по-ниско отношение предел на овластване към якост на опън (~0,6 срещу 0,8 за HSLA) и по-висока първоначална скорост на упрочняване при пластична деформация, което позволява по-добра формуемост при еквивалентни якости на опън.

2. Какъв е препоръчаният процеп на пуансона при штамповане на DP стомана?

Стандартните процепи на пуансона, използвани за мека стомана (около 9%), обикновено са твърде малки за DP стомана и могат да причинят напукване по ръба. Най-добри практики в индустрията препоръчват увеличаване на процепа на 12–14%от дебелината на материала, за да се подобри качеството на ръба и животът на инструмента.

3. Какво причинява възвръщането (спрингбек) при двуфазова стомана?

Обратното извиване се дължи на високата еластична възстановяваемост на материала след формоване. Високата скорост на уплътняване при деформация при стоманата от тип Dual Phase означава, че тя натрупва значителна еластична енергия по време на деформацията. Когато матрицата се отвори, тази енергия се освобождава, което води до извиване или изкривяване на детайла. Това трябва да се компенсира чрез увеличена кривина или повторно натискане при проектирането на матрицата.

4. Може ли стоманата от тип Dual Phase да се заварява?

Да, стоманите от тип DP обикновено имат добра заваряемост, но трябва да се вземе предвид конкретният въглероден еквивалент. Докато по-нископрочните класове (DP590) лесно се заваряват чрез точково заваряване, по-високопрочните класове (DP980 и нагоре) може да изискват коригиране на параметрите на заваряване, като например увеличена сила на електродите или специфични импулсни режими, за да се предотвратят крехки скъсвания в зоната на топлинно въздействие на заварката.