Свойства на стоманата за горещо формоване: Технически наръчник за якост и формуемост

Накратко

Стоманата за пресово закаляване (PHS), известна още като горещо штампувана или борна стомана, е свръхвисокопръг сплав (обикновено 22MnB5), предназначена за безопасностни компоненти в автомобилната индустрия. Доставя се в пластично феритно-перлитно състояние (предел на текучест ~300–600 MPa), но се преобразува в изключително твърда мартенситна структура (якост при опън 1300–2000 MPa) след нагряване до ~900°C и закаляване в охлаждена матрица. Този процес елиминира ефекта на възврат, позволява сложни геометрии и осигурява значително намаляване на теглото при критични конструкции за сблъсък, като A-колони и бампери.

Какво е стомана за пресово закаляване (PHS)?

Стоманата за пресоване чрез затвърдяване (PHS), често наричана в автомобилната индустрия горещо штампувана или горещо формована стомана, представлява категория бор-легирани стомани, които преминават през специализиран термичен и механичен процес на формоване. За разлика от обикновените студено штамповани стомани, които се формират при стайна температура, PHS се нагрява докато достигне аустенитно състояние, след което се формира и закалява едновременно в охлаждена матрица.

Стандартният клас за този процес е 22MnB5 , въглеродно-манганово-борна сплав. Добавката на бор (обикновено 0,002–0,005%) е от решаващо значение, тъй като значително подобрява способността на стоманата да се закалява, осигурявайки напълно мартенситна микроструктура дори при умерени скорости на охлаждане. Без бор материала може да се превърне в по-меки фази като бейнит или перлит по време на закаляването и да не достигне целевата якост.

Основната трансформация, която придава стойност на PHS, е микроструктурна. Доставено като мек феритно-перлитно листово, материала лесно се реже и обработва. По време на процеса на горещо оформяне той се нагрява над температурата си на аустенитизация (обикновено около 900–950°C). Когато горещата заготовка се закрепи в матрицата, тя се охлажда бързо (със скорости над 27°C/s). Това бързо охлаждане избягва образуването на по-меки микроструктури и преобразува аустенита директно в мартенсит , най-твърдата форма на стоманена структура.

Механични свойства: В доставено състояние срещу затвърдено

За инженерите и специалистите по набавяне най-важният аспект на свойствата на стоманата за пресово затвърдяване е рязката разлика между първоначалното и крайното ѝ състояние. Тази двойственост позволява сложни формообразувания (когато е мека) и изключителна производителност (когато е твърда).

Таблицата по-долу сравнява типичните механични свойства на стандартния клас 22MnB5 преди и след процеса на пресово затвърдяване:

Анализ на силата на износването: Силата на добива обикновено се утрои по време на процеса. Докато доставеният материал се държи по подобен начин като стандартната конструктивна стомана, готовата част става твърда и устойчива на деформация, което я прави идеална за клетки за сигурност срещу проникване.

Твърдост и обработваемост: Крайната твърдост на 470510 HV прави механичното подрязване или перфориране изключително трудно и е податливо на износване на инструмента. Следователно повечето операции по подрязване на готови части PHS се извършват с лазерно рязане (вж. Технически данни на SSAB (вж. точка 4.4.1.) или специални твърдооборотни стъкла непосредствено преди напълно охлаждане на детайла.

Общи класи на PHS и химичен състав

Докато 22MnB5 остава основният продукт на индустрията, търсенето на още по-леки и по-силни компоненти доведе до разработването на няколко варианта. Инженерите обикновено избират видове, базирани на баланса между максималната якост и необходимата гъвкавост за усвояване на енергия.

• PHS1500 (22MnB5): Стандартен клас с якост на опън около 1500 MPa. Съдържа приблизително 0,22% въглерод, 1,2% манган и следи от бор. Осигурява баланс между якост и достатъчна твърдост за повечето приложения, свързани с безопасността.
• PHS1800 / PHS2000: По-нови класове с изключително висока якост, които увеличават якостта на опън до 1800 или 2000 MPa. Те постигат по-висока якост чрез леко увеличено съдържание на въглерод или модифицирана легировка (например силиций/ниобий), но могат да имат намалена твърдост. Използват се за части, при които устойчивостта към навлизане е единствен приоритет, като например брони или греди на покрива.
• Пластични класове (PHS1000 / PHS1200): Известни още като стомани за пресоване и закаляване (PQS), тези класове (като PQS450 или PQS550) са проектирани да запазват по-високо удължение (10–15%) след затвърдяване. Често се използват в „меки зони“ на B-колоната, за да абсорбират енергията при сблъсък, вместо да я предават.

Химичният състав се контролира стриктно, за да се предотвратят проблеми като водородно охрупчване, особено при по-високите класове якост. Съдържанието на въглерод обикновено се поддържа под 0,30%, за да се осигури разумна заваряемост.

Покрития и корозионна устойчивост

Непокритата стомана бързо окислява при нагряване до 900 °C, образувайки твърд слой, който поврежда шанците за изстискване и изисква абразивно почистване (пясъкоструйна обработка) след формоването. За да се избегне това, повечето съвременни приложения на горещо штампуване използват предварително покрити листове.

Алуминий-силиций (AlSi): Това е доминиращото покритие за директно горещо штампуване. То предотвратява образуването на оксиден слой по време на нагряване и осигурява бариерна защита срещу корозия. Слоят AlSi образува сплав с желязото на стоманата по време на фазата на нагряване, създавайки здрава повърхност, която издържа на плъзгащото триене на матрицата. За разлика от цинка, не осигурява галванична (самолекуваща) защита.

Цинкови (Zn) покрития: Цинковите покрития (галиванизирани или галванезирани) предлагат превъзходна катодна защита срещу корозия, което е от голяма стойност за части, изложени на влажни среди (като например бордове). Въпреки това, стандартното горещо оформяне може да причини Течна метална крехкост (LME) , при която течният цинк прониква в границите на зърната на стоманата и причинява микротръпвания. За безопасното управление на PHS с цинкови покрития често се изискват специализирани „индиректни“ процеси или техники за „предварително охлаждане“.

Ключови инженерни предимства

Прилагането на свойствата на пресовано затвърдяваща стомана е повлияно от конкретни инженерни предизвикателства в конструкцията на превозните средства. Материалът предлага решения, които студено оформяните високопрочни нисколегирани (HSLA) или двуфазни (DP) стомани не могат да осигурят.

• Екстремно намаляване на теглото: Чрез използване на якости от 1500 MPa или по-високи, инженерите могат да намалят дебелината на детайлите (намаляване на калибъра), без да компрометират безопасността. Детайл, който навремето е бил с дебелина 2,0 мм от обикновена стомана, може да бъде намален до 1,2 мм при PHS, като по този начин се спести значително тегло.
• Нулево връщане след деформация: При студеното штамповане високоякостните стомани имат тенденция да се връщат към първоначалната си форма след отваряне на матрицата, което затруднява постигането на размерна точност. PHS се оформя при горещо и меко състояние (аустенит) и затвърдява, докато е ограничена в матрицата. Това фиксира геометрията на място, като резултатът е практически нулево възстановяване и изключителна размерна прецизност.
• Сложни геометрии: Тъй като оформянето се извършва, когато стоманата е пластична (~900°C), сложни форми с дълбоко изтегляне и малки радиуси могат да бъдат изработени с един ход — геометрии, които биха се напукали или пропукали, ако се опитат да бъдат изработени със студена ултра-високоякостна стомана.

Типични автомобилни приложения

PHS е материала по избор за "капсулата на безопасност" на съвременните превозни средства — твърдата конструкция, предназначена да предпазва пътниците по време на сблъсък, като предотвратява навлизане в кабината.

Критични компоненти

Стандартни приложения включват A-колони, B-колони, покривни релси, усилване на тунела, странични панели и греди за защита от навлизане в вратите . В последно време производителите започнаха да интегрират PHS в батерийните корпуси на електрически превозни средства, за да защитят модулите от странични удари.

Подобрени свойства

Напредналото производство позволява „Таргетно закаляване“, при което определени зони от единична детайл (като дъното на B-стойка) се охлаждат по-бавно, за да останат меки и пластични, докато горната част става напълно твърда. Тази комбинация оптимизира детайла както за устойчивост към проникване, така и за абсорбиране на енергия.

За производителите, които се стремят да внедряват тези напреднали материали, е важно да сътрудничат със специализирани изработващи компании. Такива фирми като Shaoyi Metal Technology предлагат комплексни решения за авто штамповани части, способни да отговарят на високотонажни изисквания (до 600 тона) и да управляват точните инструменти за сложни автомобилни компоненти, от бързо прототипиране до масово производство според стандарта IATF 16949.

Заключение

Свойствата на стоманата за пресоване и затвърдяване представляват жизненоважен симбиоза между металургията и производствения процес. Като използват фазовата трансформация от ферит в мартензит, инженерите постигат материал, който е достатъчно формуем за сложни конструкции, но едновременно с това достатъчно здрав, за да пази човешки животи. Докато класовете се развиват към 2000 MPa и още по-високи стойности, PHS ще остане основен стълб в стратегиите за автомобилна безопасност и намаляване на теглото.

Често задавани въпроси

1. Каква е разликата между горещото штамповане и пресовото затвърдяване?

Няма разлика; термините се използват като синоними. „Пресово затвърдяване“ се отнася за металическия процес на затвърдяване, който протича в пресата, докато „горещо штамповане“ се отнася за метода на формоване. И двата описват една и съща производствена последователност, използвана за изработване на високопрочни мартензитни стоманени части.

2. Защо се добавя бор към стоманата за пресово затвърдяване?

Борът се добавя в малки количества (0,002–0,005 %), за да се увеличи значително способността на стоманата да се закалява. Той забавя образуването на по-меки микроструктури като ферит и перлит по време на охлаждане, осигурявайки напълно преминаване към твърд мартензит дори при скоростите на охлаждане, постигани в индустриални щампови форми.

3. Може ли да се заварява пресовано закалена стомана?

Да, PHS може да се заварява, но изисква специфични параметри. Тъй като материала обикновено има съдържание на въглерод около 0,22 %, той е съвместим с точково съпротивително заваряване (RSW) и лазерно заваряване. Въпреки това заварката леко размеква Зоната с термично влияние (HAZ), което трябва да се отчита при проектирането. При стомани с AlSi покритие, покритието трябва да се премахне (чрез лазерно аблатиране) или внимателно да се контролира по време на заваряване, за да се предотврати замърсяване на заваръчния басейн.