SHRNUTÍ

Oceli typu Dual Phase (DP) jsou pokročilé vysoce pevnostní oceli (AHSS), které jsou charakteristické mikrostrukturou tvrdých ostrůvků martenzitu rozptýlených v měkké feritické matrici. Tato jedinečná kombinace poskytuje nízký poměr meze kluzu k pevnosti v tahu (~0,6) a vysokou počáteční rychlost zpevnění při deformaci (n-hodnota), čímž jsou ideální pro složité automobilové lisování, které vyžaduje jak dobrou tvárnost, tak odolnost při havárii. Úspěšné lisování však vyžaduje řízení významného pružného návratu a rizik trhlin na hranách. Inženýři obvykle musí zvětšit mezery mezi razníkem a deskou na 12–14 % a používat tužší nástroje s pokročilými povlaky, jako je TiC nebo CrN, aby zvládli zvýšené zatížení a opotřebení.

Mikrostruktura a mechanické vlastnosti

Inženýrská hodnota oceli Dual Phase spočívá v její odlišné dvoufázové mikrostruktuře. Na rozdíl od ocelí vysoce pevných nízkolegovaných (HSLA), které spoléhají na zpevnění vylučováním, získávají DP oceli své vlastnosti díky kompozitní struktuře: nepřetržitému měkkému feritickému matrixu, který poskytuje tažnost, a rozptýleným tvrdým martenzitickým ostrovům, které poskytují pevnost. Při deformaci se napětí soustřeďuje do měkčí feritické fáze obklopující martenzit, což má za následek vysokou počáteční rychlost otužování (n-hodnota).

Tato mikrostruktura vytváří profil mechanického chování specificky optimalizovaný pro studené tváření. Zatímco třídy HSLA obvykle vykazují poměr meze kluzu k mezí pevnosti (YS/TS) kolem 0,8, oceli DP udržují mnohem nižší poměr přibližně 0,6. Tento nižší mez kluzu umožňuje dřívější zahájení plastické deformace, což usnadňuje tvorbu složitých tvarů, než dosáhne materiál své konečné mez pevnosti. Poznámka výrobce že tato vysoká hodnota n je obzvláště výrazná při nižších úrovních přetvoření (4–6 %), což pomáhá rovnoměrně rozložit přetvoření po celé součásti a brání místnímu zužování již v rané fázi zdvihu lisu.

Běžné komerční třídy – jako například DP590, DP780 a DP980 – jsou definovány svými minimálními mezí pevnosti (v MPa). S rostoucím objemovým podílem martenzitu se zvyšuje mez pevnosti, ale tažnost přirozeně klesá. Inženýři musí tyto faktory vyvažovat, často volí nižší podíly martenzitu u hlubokotažných dílů a vyšší podíly u konstrukčních nosníků, kde je rozhodující odolnost proti vpádu.

Výzvy při tváření: Pružné zpětné účinky a trhliny na hranách

Právě ta vlastnost, která činí DP ocel žádoucí – její vysoká rychlost zpevnění při deformaci – způsobuje její hlavní výrobní vadu: pružný návrat (springback). Protože materiál se během tváření rychle zpevňuje, je elastické obnovovací napětí uložené v dílu výrazně vyšší než u měkkých ocelí. To se projevuje zkroucením boční stěny a změnou úhlu poté, co je díl vyjmout z matrice, čímž se ztěžuje dosažení rozměrové přesnosti pro montáž.

Pro omezení pružného návratu používají technologové několik strategií konstrukce nástrojů. Předsazení zakřivení povrchů matrice umožňuje materiálu uvolnit se do správné geometrie. Dále lze geometrii zajistit návrhem zásek ve stěnách nebo tuhých lišt. Pokročilejší technikou je vytvoření vysoké deformace na konci zdvihu lisu, čímž se sníží zbytková tlaková napětí a tvar je efektivně „fixován“.

Vznik trhlin na hranách je dalším kritickým druhem poruchy, zejména při operacích tažení okrajů. Rozdíl v tvrdosti mezi měkkým feritem a tvrdým martenzitem vytváří koncentrace napětí na střižných hranách, což vede ke vzniku mikropórů, které se mohou spojit a tvořit trhliny. SSAB doporučuje použití specializovaných tříd „Dual Phase High Formability“ (DH) u geometrií vyžadujících hluboké tažení nebo natažené hrany. Tyto třídy AHSS třetí generace využívají mikrostruktury s efektem TRIP (s retinovaným austenitem) k zachování tvárnosti při vyšších úrovních deformace a nabízejí lepší odolnost proti trhlinám na hranách ve srovnání se standardními DP třídami.

Pokyny pro návrh nástrojů a lisovacích forem

Lisování oceli Dual Phase vyžaduje zásadní přehodnocení běžných parametrů nástrojů používaných u mírně legované oceli nebo HSLA. Nejdůležitější úpravou je vůle mezi razníkem a matricí. Běžné vůle kolem 9 % tloušťky materiálu často vedou ke kritickému štěpení hran u DP ocelí kvůli vysoké mez pevnosti materiálu ve smyku.

Data z Tata Steel ukazuje, že zvýšení vůle na raznici na 12–14%výrazně zlepšuje kvalitu hrany. V jedné případové studii snížení míry praskání dílů ze 22 % téměř na nulu dosáhlo zvýšením vůle z 9 % na 12 %. Tato větší mezera mění stav napětí na řezné hraně a snižuje tak tendenci k šíření mikrotrhlin do příruby.

Rychlejší je také opotřebení nástroje. Vysoké kontaktní tlaky potřebné pro tváření DP oceli – často přesahující 600 tun u konstrukčních dílů – mohou způsobit přivařování materiálu a rychlé poškozování nástrojů. Nástrojové oceli je proto nutno pokrýt tvrdými, nízkotřecími povlaky, jako je karbid titanu (TiC) nebo nitrid chromu (CrN), aby se prodloužily intervaly údržby. Navíc musí být lis sám o sobě dostatečně tuhý, aby nedošlo k průhybu při těchto vysokých zatíženích, což by jinak negativně ovlivnilo přesnost dílů.

Pro výrobce čelící těmto zvýšeným nárokům na vybavení je často nejefektivnějším řešením spolupráce se specializovaným výrobcem polotovarů. Shaoyi Metal Technology nabízí komplexní řešení pro stříhání které spojují mezeru mezi prototypováním a sériovou výrobou. Díky lisovacím kapacitám až do 600 tun a certifikaci IATF 16949 jsou vybaveny pro zvládnutí přísných požadavků na nosnost a přesnost pokročilých ocelí s vysokou pevností, jako jsou DP a DH třídy pro kritické komponenty, například řídicí ramena a rámy.

Zpevnění při vypalování a konečný výkon

Jednou z ukrytých výhod oceli Dual Phase je její efekt „zpevnění při vypalování“ (BH). Tento jev nastává během procesu vytvrzování automobilového nátěru, obvykle při teplotě kolem 170 °C po dobu 20 minut. Během tohoto tepelného procesu se volné atomy uhlíku v mikrostruktuře oceli difundují a uzamkují dislokace vzniklé při tváření.

Tento mechanismus vede k významnému zvýšení meze kluzu—obvykle o 50 až 100 MPa—bez ovlivnění rozměrů součásti. Tento zisk statické pevnosti umožňuje automobilovým inženýrům „ztenčit“ (použít tenčí materiál) ke snížení hmotnosti vozidla, zatímco zajišťuje splnění cílů crash bezpečnosti u konečné součásti. Kombinace tvrdnutí při tváření v lisy a kalením v nátěrovém provozu poskytuje konečnému dílu výjimečnou schopnost absorbovat energii, čímž se DP ocel stává standardní volbou pro prvky bezpečnostního koše, jako jsou sloupky B, střešní nosníky a příčné nosné prvky.

Závěr: Optimalizace výroby AHSS

Dvoufázový ocel představuje klíčový kompromis v moderním automobilovém inženýrství, protože nabízí pevnost nezbytnou pro soulad s bezpečnostními předpisy a tažnost vyžadovanou pro výrobní proveditelnost. Ačkoli materiál přináší zřetelné výzvy – konkrétně správu pružného návratu a opotřebení nástrojů – lze tyto efektivně překonat pomocí návrhu nástrojů řízeného daty a vhodné volby lisu. Respektováním jedinečné fyziky ferit-martenzitické mikrostruktury a úpravou parametrů, jako je mezera v dělícím nástroji, na doporučený rozsah 12–14 %, mohou výrobci plně využít potenciálu tohoto univerzálního materiálu pro úsporu hmotnosti a zvýšení výkonu.

Nejčastější dotazy

1. Jak se dvoufázová ocel liší od oceli HSLA?

Zatímco oceli s vysokou pevností a nízkou slitinou (HSLA) využívají slitinové prvky pro precipitační kalení, oceli s dvojfázovou strukturou (DP) spoléhají na dvoufázovou mikrostrukturu feritu a martenzitu. To poskytuje oceli DP nižší poměr meze kluzu k pevnosti (~0,6 oproti 0,8 u HSLA) a vyšší počáteční rychlost zpevňování při deformaci, což umožňuje lepší tvárnost při ekvivalentních mezích pevnosti.

2. Jaký je doporučený vůle nástroje pro stříhání oceli DP?

Běžné vůle nástrojů používané u měkké oceli (přibližně 9 %) jsou obvykle příliš malé pro ocel DP a mohou způsobit trhliny na hranách. Odborná praxe doporučuje zvýšit vůli nástroje na 12–14%tloušťky materiálu, aby se zlepšila kvalita hrany a životnost nástrojů.

3. Co způsobuje pružnou deformaci (zpětné prohnutí) u dvojfázové oceli?

Průběžná pružnost je způsobena vysokou elasticitou materiálu po tváření. Vysoká míra work hardening u DP oceli znamená, že během deformace ukládá významnou elastickou energii. Když se forma otevře, tato energie se uvolní, což způsobuje, že díl pruží zpět nebo se kroutí. Tento jev je nutné kompenzovat přesným nastavením tvaru formy, například nadměrným zakřivením nebo opakovaným lisováním.

4. Lze Dual Phase ocel svařovat?

Ano, DP oceli obecně mají dobré svařovací vlastnosti, ale je třeba zohlednit konkrétní uhlíkový ekvivalent. Zatímco oceli nižší pevnosti (DP590) lze snadno bodově svařovat, oceli vyšší pevnosti (DP980 a vyšší) mohou vyžadovat úpravu svařovacích parametrů, jako je zvýšená síla elektrody nebo specifické pulzní režimy, aby se zabránilo křehkým lomům v tepelně ovlivněné zóně svaru.