Puristusmuovauksen teräksen ominaisuudet: tekninen opas lujuuteen ja muovattavuuteen

TL;DR

Pressin karkaistu teräs (PHS), joka tunnetaan myös kuumasintrattuna tai booriteräksenä, on erittäin korkealujuinen seos (yleensä 22MnB5), joka on suunniteltu ajoneuvojen turvallisuuskomponentteihin. Se toimitetaan muovattavassa ferriti-pearliittisessä tilassa (myötölujuus ~300–600 MPa), mutta muuttuu erittäin kovaksi martensiittiseksi rakenteeksi (vetolujuus 1300–2000 MPa) lämmitettynä noin 900 °C:n lämpötilaan ja jäähdytettynä jäähdytetyssä muotissa. Tämä prosessi poistaa kimpoamisen, mahdollistaa monimutkaiset geometriat ja mahdollistaa merkittävän painon vähentämisen kriittisissä törmäysrakenteissa, kuten A-pilareissa ja törmäyssuojissa.

Mikä on pressin karkaistu teräs (PHS)?

Painevalssattu teräs (PHS), jota autoteollisuudessa usein kutsutaan kuumentamalla muovatuksi teräkseksi tai kuumaformaatetuksi teräkseksi, edustaa ryhmää boriseoksutettuja teräksiä, jotka käyvät läpi erikoisen lämpö- ja mekaanisen muovausprosessin. Toisin kuin perinteiset kylmämuovatut teräkset, jotka muovataan huoneenlämmössä, PHS-teräkset kuumentaan austeniittiseen tilaan ja muovataan sekä jäähdytetään samanaikaisesti jäähdytetyssä työkalussa.

Tämän prosessin standardiluokka on 22MnB5 , hiili-manganeesi-bori-seos. Börin lisääminen (tyypillisesti 0,002–0,005 %) on kriittistä, koska se parantaa teräksen karkenevuutta merkittävästi, mikä takaa täysin martensiittisen mikrorakenteen saavuttamisen jopa kohtuullisilla jäähdytysnopeuksilla. Ilman borea materiaali saattaisi muuttua pehmeämpien faasien, kuten bainiitin tai pearliitin, muotoon karkausvaiheessa eikä näin saavuta tavoiteltua lujuutta.

PHS:n arvon tuottava perustavanlaatuinen muutos on mikrorakenteellinen. Toimitettuna pehmeänä ferriittisementiittilevynä materiaali on helppo leikata ja käsittää. Kuumapuristusprosessin aikana se lämmitetään austeniitinmuodostumislämpötilan yläpuolelle (tyypillisesti noin 900–950 °C). Kun kuumaa levyä pidetään muotissa, sitä jäähdytetään nopeasti (jäähdytysnopeudella yli 27 °C/s). Tämä nopea jäähdytys ohittaa pehmeämpien mikrorakenteiden muodostumisen ja muuttaa austeniitin suoraan martensiitti , joka on teräksen hankuin rakenne

Mekaaniset ominaisuudet: Toimitustila verrattuna kovettuneeseen tilaan

Konetekniikan asiantuntijoiden ja hankintavastaavien kannalta tärkein painon korostaminen koskee painokarkaisteräksen ominaisuuksien dramaattista eroa sen alkutilan ja lopputilan välillä. Tämä kaksijakoisuus mahdollistaa monimutkaisen muovauksen (kun se on pehmeää) ja erittäin hyvän suorituskyvyn (kun se on kovettunut)

Alla oleva taulukko vertaa standardiluokan 22MnB5 mekaanisia ominaisuuksia ennen ja jälkeen painokarkaisuprosessin:

Myötölujuusanalyysi: Myötölujuus kolminkertaistuu tyypillisesti prosessin aikana. Vaikka toimitettu materiaali käyttäytyy samankaltaisesti kuin standardirakenneteräs, valmis komponentti muuttuu jäykäksi ja vääntymisen vastustavaksi, mikä tekee siitä ihanteellisen turvallisuuskehiksiin, jotka estävät tunkeutumista.

Kovuus ja koneenpitoisuus: Lopullinen kovuus 470–510 HV tekee mekaanisesta reunan viilaamisesta tai rei'ittämisestä erittäin vaikeaa ja altista työkalujen kuluiselle. Siksi useimmat reunan viilaustoimenpiteet valmiisiin PHS-osissa suoritetaan laserleikkauksella (katso SSAB:n tekniset tiedot ) tai erikoistuneilla kovan viilaamisen muoteilla juuri ennen osan täydellistä jäähtymistä.

Yleiset PHS-luokat ja kemiallinen koostumus

Vaikka 22MnB5 on edelleen alan työnhevonen, entistä kevyempien ja vahvempien komponenttien kysyntä on johtanut useiden vaihtoehtojen kehittämiseen. Insinöörit valitsevat tyypillisesti luokkia huomioiden huippulujuuden ja tarvittavan sitkeyden tasapainon energian absorboinnin kannalta.

• PHS1500 (22MnB5): Standardiluokka noin 1500 MPa:n vetolujuudella. Se sisältää noin 0,22 % hiiltä, 1,2 % mangaania ja jälkiä booria. Se yhdistää lujuuden riittävään sitkeyteen useimmissa turvallisuussovelluksissa.
• PHS1800 / PHS2000: Uudemmat erittäin korkean lujuksen luokat, jotka nostavat vetolujuuden 1800 tai 2000 MPa:aan. Ne saavuttavat korkeamman lujuuden hieman lisäämällä hiilipitoisuutta tai muuttamalla seostusta (esim. pii/niobium), mutta niillä saattaa olla alhaisempi sitkeys. Niitä käytetään osissa, joissa ainoana tavoitteena on vastustaa tunkeutumista, kuten bumpteripalkkeina tai katon raiteina.
• Duktiilit luokat (PHS1000 / PHS1200): Näitä kutsutaan myös pressukarkausteräksiksi (PQS). Nämä luokat (kuten PQS450 tai PQS550) on suunniteltu säilyttämään korkeampi venymä (10–15 %) karkaistuna. Niitä käytetään usein B-pilarin "pehmeissä vyöhykkeissä" ottamaan vastaan kolarin energiaa siirtämättä sitä eteenpäin.

Kemiallista koostumusta hallitaan tarkasti estämään ongelmia, kuten vedyn aiheuttama haurastuminen, erityisesti korkeammissa lujuusluokissa. Hiilipitoisuus pidetään yleensä alle 0,30 %:n, jotta hitsattavuus säilyy riittävän hyvänä.

Pintapäällysteet ja korroosion kestävyys

Pinnoittamaton teräs hapettuu nopeasti, kun sitä lämmitetään 900 °C:seen, muodostaen kovan kuoren, joka vahingoittaa leikkuumuotteja ja vaatii hiomalla tapahtuvan puhdistuksen (kitkapuhdistuksen) muotin jälkeen. Tätä välttääkseen useimmat nykyaikaiset PHS-sovellukset käyttävät esipinnoitettuja levyjä.

Alumiini-pi (AlSi): Tämä on yleisin pinnoite suorassa kuumamuovauksessa. Se estää kuoren muodostumisen lämmityksen aikana ja tarjoaa esteellistä korroosionsuojaa. AlSi-kerros muodostaa seoksen teräksen raudan kanssa lämmitysvaiheessa, luoden kestävän pinnan, joka kestää muotin liukuhanan kitkaa. Toisin kuin sinkki, se ei tarjoa galvaanista (itsekorjaavaa) suojaa.

Sinkkipinnoitteet (Zn): Sinkkipohjaiset pinnoitteet (sinkitty tai galvanoitu) tarjoavat erinomaisen katodisen korroosionsuojan, joka on arvokasta osille, jotka altistuvat kosteille ympäristöille (kuten kynsisille). Kuitenkin tavallinen kuumamuovaus voi aiheuttaa Nestemäisen metallin haurastumisen (LME) , jossa nestemäinen sinkki tunkeutuu teräksen rakeiden rajapintoihin aiheuttaen mikromurtumia. Sinkkäsiteltyjen PHS-terästen turvallista käsittelyä varten vaaditaan usein erityisiä epäsuoria prosesseja tai esijäähdytysmenetelmiä.

Avaintekniset edut

Muovauskarkaisteräksen käyttöönottoa on ajannut tiettyjä teknisiä haasteita ajoneuvosuunnittelussa. Materiaali tarjoaa ratkaisuja, joita kylmämuovatuilla korkean lujuuden alhaisilla seoksilla (HSLA) tai kaksifaasiteräksillä (DP) ei voida saavuttaa.

• Äärimmäinen kevennys: Käyttämällä vetolujuuksia 1500 MPa tai korkeampia, suunnittelijat voivat vähentää osien paksuutta (paksuuden alentaminen) turvallisuuden kärsimättä. Osan, jonka paksuus oli kerran 2,0 mm tavallisessa teräksessä, voidaan vähentää 1,2 mm:ään PHS-teräksessä, säästäen merkittävästi painoa.
• Nolla kimmoisa palautuminen: Kylmämuovauksessa korkean lujuuden teräkset pyrkivät palautumaan alkuperäiseen muotoonsa kuuman avautuessa, mikä vaikeuttaa mittojen tarkkuutta. PHS-muovaus tapahtuu kuumana ja pehmeänä (austeniitti) ja kovettuu muotissa rajoitettuna. Tämä lukitsee geometrian paikoilleen, mikä johtaa käytännössä nollapalomiseen ja erinomaiseen mitan tarkkuuteen.
• Monimutkaiset geometriat: Koska muovaus tapahtuu, kun teräs on muovattavaa (~900 °C), monimutkaisia muotoja syvillä vetokulmilla ja tiukilla säteillä voidaan muodostaa yhdellä iskulla – geometrioita, jotka halkeaisivat tai rikkoutuisivat, jos niitä yritettäisiin kylmällä ultra-korkealujuisella teräksellä.

Tyypilliset autoteollisuuden sovellukset

PHS on materiaalivalinta modernien ajoneuvojen "turvakopin" osalta – jäykälle rakenteelle, jonka tarkoituksena on suojata matkustajia estämällä hyttikopun tunkeutuminen kolareissa.

Kriittisiä komponentteja

Tavallisia sovelluksia ovat A-pylväät, B-pylväät, katonraiteet, tunnelin vahvistukset, rocker-paneelit ja oven tunkeutumispalkit . Viime aikoina valmistajat ovat alkaneet integroida PHS-akkukoteloita sähköautoihin suojatakseen moduuleja sivuiskuilta.

Mukautettavat ominaisuudet

Edistynyt valmistustekniikka mahdollistaa "kohdennetun karkaisun", jossa yhden osan (kuten B-pilarin alaosan) tiettyjä vyöhykkeitä jäähdytetään hitaammin säilyttämään ne pehmeinä ja muovautuvina, kun taas ylempi osa karkenee täysin. Tämä yhdistelmä optimoi osan sekä tunkeutumisen vastustamiseen että energian absorbointiin.

Valmistajille, jotka haluavat ottaa käyttöön näitä kehittyneitä materiaaleja, on olennaista tehdä yhteistyötä erikoistuneiden valmistajien kanssa. Yritykset kuten Shaoyi Metal Technology tarjoavat kattavat auton leikkaukseen liittyvät ratkaisut, joilla voidaan hoitaa suuret painovaatimukset (jopa 600 tonnia) ja hallita tarkan työkaluvaatimusten tarpeet monimutkaisiin autojen komponentteihin, nopeasta prototyypistä massatuotantoon IATF 16949 -standardien mukaisesti.

Johtopäätös

Painelujuustoteräksen ominaisuudet edustavat keskeistä synergiaa metallurgian ja valmistusprosessin välillä. Hyödyntämällä ferritiin perustuvan rakenteen muuttumista martensiitiksi, insinöörit saavuttavat materiaalin, joka on riittävän muovautuva monimutkaisiin suunnitteluun, mutta samalla tarpeeksi vahva suojatakseen ihmishenkiä. Kun luokat kehittyvät kohti 2000 MPa:ta ja sen yli, painelujuustoteräs pysyy autoteollisuuden turvallisuuden ja kevennyksen keskeisenä osana.

Usein kysytyt kysymykset

1. Mikä on ero kuumavalssauksen ja painelujuutuksen välillä?

Eroa ei ole; termejä käytetään vaihtoehtoisesti. "Painelujuutus" viittaa metallurgiseen kovettumisprosessiin, joka tapahtuu pressissä, kun taas "kuumavalssaus" viittaa muovausmenetelmään. Molemmat kuvaavat samaa valmistussarjaa, jolla tuotetaan korkean lujuuden omaavia martensiittisia teräsosia.

2. Miksi booria lisätään painelujuusteteräkseen?

Boria lisätään pieninä määrinä (0,002–0,005 %) merkittävästi parantaakseen teräksen karkaistuvuutta. Se viivästyttää pehmeämpien mikrorakenteiden, kuten ferritiin ja perliitin, muodostumista jäähdytettäessä, mikä varmistaa, että teräs muuttuu täysin kovaksi martensiitiksi, vaikka jäähdytysnopeus saavutetaan teollisissa leikkurimuoteissa.

3. Voidaanko karkaistua terästä hitsata?

Kyllä, PHS on hitsattavissa, mutta se edellyttää tiettyjä parametreja. Koska materiaalin hiilipitoisuus on tyypillisesti noin 0,22 %, se soveltuu vastushitsaukseen (RSW) ja laserhitsaukseen. Kuitenkin hitsaus pehmentää lievästi hitsausaluetta (HAZ), mikä on otettava huomioon suunnittelussa. AlSi-päällysteisille teräksille pinnoitteen on poistettava (laserablaatiolla) tai käsiteltävä huolellisesti hitsauksen aikana estämällä hitsausaltaan kontaminaatio.