प्रेस हार्डनिंग स्टील के गुणधर्म: मजबूती और आकार देने की क्षमता के लिए तकनीकी मार्गदर्शिका

संक्षिप्त में

प्रेस हार्डनिंग स्टील (PHS), जिसे हॉट-स्टैम्प्ड या बोरॉन स्टील के रूप में भी जाना जाता है, एक अत्यधिक मजबूत मिश्र धातु (आमतौर पर 22MnB5) है जो ऑटोमोटिव सुरक्षा घटकों के लिए डिज़ाइन की गई है। इसे एक लचीली फेराइटिक-पर्लिटिक अवस्था में आपूर्ति की जाती है (यील्ड स्ट्रेंथ ~300–600 MPa), लेकिन इसे ~900°C तक गर्म करने और ठंडे डाई में शीतलन के बाद यह एक अत्यंत कठोर मार्टेंसिटिक संरचना (टेंसाइल स्ट्रेंथ 1300–2000 MPa) में परिवर्तित हो जाती है। इस प्रक्रिया से स्प्रिंगबैक समाप्त हो जाता है, जटिल ज्यामिति की अनुमति मिलती है, और ए-पिलर और बम्पर जैसी महत्वपूर्ण क्रैश संरचनाओं में भार में महत्वपूर्ण कमी संभव होती है।

प्रेस हार्डनिंग स्टील (PHS) क्या है?

प्रेस हार्डनिंग स्टील (PHS), जिसे ऑटोमोटिव उद्योग में अक्सर हॉट-स्टैम्प्ड स्टील या हॉट-फॉर्म्ड स्टील के रूप में जाना जाता है, बोरॉन-मिश्रित स्टील की एक श्रेणी है जो एक विशेष ऊष्मीय और यांत्रिक आकृति प्रक्रिया से गुजरती है। कमरे के तापमान पर बनाई जाने वाली पारंपरिक कोल्ड-स्टैम्प्ड स्टील के विपरीत, PHS को ऑस्टेनिटिक अवस्था तक गर्म किया जाता है और फिर एक साथ आकृति दी जाती है और ठंडे उपकरण के भीतर शीतलित किया जाता है।

इस प्रक्रिया के लिए मानक ग्रेड है 22MnB5 , एक कार्बन-मैंगनीज-बोरॉन मिश्र धातु। बोरॉन (आमतौर पर 0.002–0.005%) की उपस्थिति महत्वपूर्ण है क्योंकि यह स्टील की कठोरता में भारी सुधार करती है, जिससे मध्यम शीतलन दर पर भी पूर्ण मार्टेंसिटिक सूक्ष्म संरचना प्राप्त की जा सकती है। बोरॉन के बिना, शीतलन चरण के दौरान सामग्री में बेनाइट या पियरलाइट जैसी नरम अवस्थाओं में परिवर्तन हो सकता है, जिससे लक्षित सामर्थ्य तक पहुँचने में विफलता हो सकती है।

मूलभूत परिवर्तन जो पीएचएस को इसका मूल्य देता है वह सूक्ष्म संरचनात्मक है। नरम फेरीटिक-पीयरलिटिक शीट के रूप में उपलब्ध, सामग्री को काटने और संभालने में आसान है। गर्म मुद्रांकन प्रक्रिया के दौरान, इसे अपने ऑस्टेनटाइजेशन तापमान (आमतौर पर लगभग 900950°C) से ऊपर गर्म किया जाता है। जब गर्म खाली को मर में क्लैंप किया जाता है, तो यह तेजी से ठंडा हो जाता है (27°C/s से अधिक की दर से) । यह तेज ठंडा होने से नरम सूक्ष्म संरचनाओं का गठन नहीं होता और ऑस्टेनइट सीधे मार्टेनसाइट , स्टील संरचना का सबसे कठिन रूप है।

यांत्रिक गुण: जैसे-जिस प्रकार से दिया जाता है वैसा ही कठोर

इंजीनियरों और खरीद विशेषज्ञों के लिए, प्रेस-हार्डिंग स्टील के गुणों का सबसे महत्वपूर्ण पहलू इसकी प्रारंभिक स्थिति और इसकी अंतिम स्थिति के बीच नाटकीय अंतर है। यह द्वैत जटिल रूप (जब नरम) और चरम प्रदर्शन (जब कठिन) की अनुमति देता है।

नीचे दी गई तालिका में प्रेस कठोर करने की प्रक्रिया से पहले और बाद में मानक 22MnB5 ग्रेड के विशिष्ट यांत्रिक गुणों की तुलना की गई है:

यील्ड सामर्थ्य विश्लेषण: प्रक्रिया के दौरान यील्ड सामर्थ्य आमतौर पर तिगुना हो जाता है। जहां आपूर्ति की गई सामग्री मानक संरचनात्मक इस्पात के समान व्यवहार करती है, वहीं तैयार घटक कठोर और विरूपण के प्रति प्रतिरोधी बन जाता है, जिससे यह एंटी-इंट्रूज़न सुरक्षा केज के लिए आदर्श बन जाता है।

कठोरता और मशीनीकरण क्षमता: 470–510 HV की अंतिम कठोरता यांत्रिक ट्रिमिंग या पंचिंग को अत्यधिक कठिन और उपकरण के क्षरण के प्रति संवेदनशील बना देती है। परिणामस्वरूप, तैयार PHS भागों पर अधिकांश ट्रिमिंग संचालन लेजर कटिंग का उपयोग करके किए जाते हैं (देखें SSAB तकनीकी डेटा ) या भाग के पूरी तरह से ठंडा होने से तुरंत पहले विशेष कठोर-ट्रिमिंग डाई का उपयोग करके।

सामान्य PHS ग्रेड और रासायनिक संरचना

जबकि 22MnB5 उद्योग का मुख्य घटक बना हुआ है, और भी हल्के और मजबूत घटकों की मांग ने कई विविधताओं के विकास को जन्म दिया है। इंजीनियर आमतौर पर ऊर्जा अवशोषण के लिए आवश्यक तन्यता के साथ शिखर सामर्थ्य के बीच संतुलन के आधार पर ग्रेड का चयन करते हैं।

• PHS1500 (22MnB5): लगभग 1500 MPa तन्य शक्ति वाली मानक ग्रेड। इसमें लगभग 0.22% कार्बन, 1.2% मैंगनीज़ और अल्प मात्रा में बोरॉन शामिल है। यह अधिकांश सुरक्षा अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त कठोरता के साथ शक्ति का संतुलन बनाए रखता है।
• PHS1800 / PHS2000: नवीनतम अति-उच्च शक्ति वाली ग्रेड जो तन्य शक्ति को 1800 या 2000 MPa तक बढ़ा देती हैं। ये थोड़ी बढ़ी हुई कार्बन मात्रा या संशोधित मिश्र धातुओं (उदाहरण के लिए, सिलिकॉन/नियोबियम) के माध्यम से उच्च शक्ति प्राप्त करती हैं लेकिन इनकी कठोरता कम हो सकती है। इनका उपयोग उन भागों में किया जाता है जहाँ घुसपैठ के प्रति प्रतिरोध एकमात्र प्राथमिकता होती है, जैसे बंपर बीम या छत के रेल।
• लचीली ग्रेड (PHS1000 / PHS1200): इन्हें प्रेस क्वेंच्ड स्टील (PQS) के रूप में भी जाना जाता है, इन ग्रेड (जैसे PQS450 या PQS550) को कठोर होने के बाद उच्च विस्तार (10–15%) बनाए रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इनका उपयोग अक्सर B-पिलर के "मृदु क्षेत्रों" में संपर्क ऊर्जा को स्थानांतरित करने के बजाय अवशोषित करने के लिए किया जाता है।

उच्च शक्ति वाले ग्रेड में हाइड्रोजन भंगुरता जैसी समस्याओं को रोकने के लिए रासायनिक संरचना को सख्ती से नियंत्रित किया जाता है। उचित वेल्डेबिलिटी बनाए रखने के लिए कार्बन सामग्री को आमतौर पर 0.30% से कम रखा जाता है।

लेप और संक्षारण प्रतिरोध

900°C तक गर्म करने पर अनकोटेड स्टील तेजी से ऑक्सीकृत हो जाता है, जिससे एक कठोर कोट बनती है जो स्टैम्पिंग डाई को नुकसान पहुँचाती है और फॉर्मिंग के बाद अपघर्षक सफाई (शॉट ब्लास्टिंग) की आवश्यकता होती है। इससे बचने के लिए, अधिकांश आधुनिक PHS अनुप्रयोग प्री-कोटेड शीट का उपयोग करते हैं।

एल्युमीनियम-सिलिकॉन (AlSi): यह सीधी हॉट स्टैम्पिंग के लिए प्रमुख लेप है। यह गर्म करने के दौरान स्केलिंग को रोकता है और बैरियर संक्षारण सुरक्षा प्रदान करता है। गर्म करने की प्रक्रिया के दौरान AlSi परत स्टील आयरन के साथ एक मिश्र धातु बनाती है, जो डाई के स्लाइडिंग घर्षण का सामना करने में सक्षम एक मजबूत सतह बनाती है। जस्ता के विपरीत, यह गैल्वेनिक (स्व-उपचार) सुरक्षा प्रदान नहीं करता है।

जस्ता (Zn) लेप: जिंक-आधारित कोटिंग्स (गैल्वनाइज्ड या गैल्वनीज्ड) उत्कृष्ट कैथोडिक क्षरण सुरक्षा प्रदान करती हैं, जो गीले वातावरण (जैसे रॉकर्स) के संपर्क में आने वाले भागों के लिए मूल्यवान है। हालाँकि, मानक हॉट स्टैम्पिंग तरल धातु भंगुरता (LME) का कारण बन सकती है, जहाँ तरल जिंक स्टील के दाने की सीमाओं में प्रवेश करके सूक्ष्म दरारें उत्पन्न करता है। जिंक-लेपित PHS को सुरक्षित ढंग से प्रबंधित करने के लिए अक्सर विशेष "अप्रत्यक्ष" प्रक्रियाओं या "पूर्व-शीतलन" तकनीकों की आवश्यकता होती है।

मुख्य इंजीनियरिंग लाभ

वाहन डिज़ाइन में विशिष्ट इंजीनियरिंग चुनौतियों के कारण प्रेस हार्डनिंग स्टील गुणों को अपनाया गया है। यह सामग्री ऐसे समाधान प्रदान करती है जो ठंडे स्टैम्प किए गए उच्च-सामर्थ्य निम्न-मिश्र धातु (HSLA) या ड्यूल-फेज (DP) स्टील्स के बराबर नहीं हो सकते।

• अत्यधिक हल्कापन: 1500 MPa या उससे अधिक की सामर्थ्य का उपयोग करके, इंजीनियर सुरक्षा को कमजोर किए बिना भाग की मोटाई कम कर सकते हैं (थिनिंग)। एक भाग जो मानक स्टील में 2.0mm मोटा था, उसे PHS में 1.2mm तक कम किया जा सकता है, जिससे महत्वपूर्ण वजन बचत होती है।
• शून्य स्प्रिंगबैक: ठंडे धातुकर्म में, उच्च-सामर्थ्य इस्पात मोल्ड खुलने के बाद अपने मूल आकार में वापस लौटने की प्रवृत्ति रखता है, जिससे आयामी सटीकता प्राप्त करना कठिन हो जाता है। PHS गर्म और नरम (ऑस्टेनाइट) अवस्था में आकृति ग्रहण करता है और मोल्ड में बंद रहते हुए कठोर हो जाता है। इससे ज्यामिति स्थिर हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप लगभग शून्य प्रत्यास्थ वापसी और अत्यधिक आयामी सटीकता प्राप्त होती है।
• जटिल ज्यामितियाँ: चूंकि आकृति निर्माण तब होता है जब इस्पात आकार देने योग्य अवस्था में होता है (~900°C), एक ही स्ट्रोक में गहरे खींचाव और तंग त्रिज्या वाली जटिल आकृतियों को बनाया जा सकता है—ऐसी ज्यामिति जो ठंडे अति-उच्च-सामर्थ्य इस्पात के साथ प्रयास करने पर फट या दरार जाएगी।

सामान्य ऑटोमोटिव अनुप्रयोग

PHS आधुनिक वाहनों के "सुरक्षा कोष" के लिए पसंदीदा सामग्री है—कठोर संरचना जिसका उद्देश्य दुर्घटना के दौरान केबिन में घुसपैठ रोककर यात्रियों की सुरक्षा करना होता है।

महत्वपूर्ण घटक

मानक अनुप्रयोग शामिल हैं A-स्तंभ, B-स्तंभ, छत रेल, सुरंग प्रबलित, रॉकर पैनल और दरवाजे में घुसपैठ रोधी धरन . हाल के समय में, विनिर्माता इलेक्ट्रिक वाहनों के बैटरी एन्क्लोजर में पीएचएस को ओर साइड इम्पैक्ट से मॉड्यूल की रक्षा के लिए एकीकृत करना शुरू कर दिया है।

सुरूचित प्रॉपर्टीज

उन्नत विनिर्माण "टेलर्ड टेम्परिंग" की अनुमति देता है, जहां एक ही भाग के विशिष्ट क्षेत्र (जैसे B-पिलर के निचले हिस्से) को नरम और लचीला बनाए रखने के लिए धीमी गति से ठंडा किया जाता है, जबकि ऊपरी भाग पूरी तरह से कठोर हो जाता है। घुसपैठ का विरोध करने और ऊर्जा को अवशोषित करने दोनों के लिए इस तरह के भाग को अनुकूलित किया जाता है।

इन उन्नत सामग्रियों को लागू करने की इच्छा रखने वाले निर्माताओं के लिए, विशेषज्ञ फैब्रिकेटर्स के साथ साझेदारी करना आवश्यक है। कंपनियां जैसे शाओयी मेटल तकनीक उन्नत ऑटो स्टैम्पिंग भाग समाधान प्रदान करती हैं, जो उच्च टनेज आवश्यकताओं (अधिकतम 600 टन तक) को संभालने और IATF 16949 मानकों के तहत त्वरित प्रोटोटाइपिंग से लेकर बड़े पैमाने पर उत्पादन तक जटिल ऑटोमोटिव घटकों के लिए सटीक उपकरण आवश्यकताओं का प्रबंधन करने में सक्षम हैं।

निष्कर्ष

प्रेस हार्डनिंग स्टील के गुण धातुकर्म और निर्माण प्रक्रिया के बीच एक महत्वपूर्ण सहयोग को दर्शाते हैं। फेराइट से मार्टेंसाइट में प्रावस्था परिवर्तन का लाभ उठाकर, इंजीनियर ऐसी सामग्री प्राप्त करते हैं जो जटिल डिज़ाइन के लिए पर्याप्त रूप से आकार देने योग्य होती है और फिर भी जीवन की रक्षा के लिए पर्याप्त मजबूत होती है। जैसे-जैसे ग्रेड 2000 MPa और उससे आगे की ओर बढ़ रहे हैं, PHS ऑटोमोटिव सुरक्षा और हल्कापन रणनीति का एक महत्वपूर्ण स्तंभ बना रहेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

1. हॉट स्टैम्पिंग और प्रेस हार्डनिंग में क्या अंतर है?

कोई अंतर नहीं है; इन शब्दों का उपयोग परस्पर विनिमय योग्य रूप में किया जाता है। "प्रेस हार्डनिंग" उस धातुकर्मीय हार्डनिंग प्रक्रिया को संदर्भित करता है जो प्रेस में होती है, जबकि "हॉट स्टैम्पिंग" आकार देने की विधि को संदर्भित करता है। दोनों उच्च-शक्ति वाले मार्टेंसाइटिक स्टील भागों के उत्पादन के लिए उपयोग की जाने वाली एक ही निर्माण अनुक्रम का वर्णन करते हैं।

2. प्रेस हार्डनिंग स्टील में बोरॉन क्यों मिलाया जाता है?

इस्पात की कठोरता को बढ़ाने के लिए बोरॉन की थोड़ी मात्रा (0.002–0.005%) को जोड़ा जाता है। यह ठंडा होने के दौरान फेराइट और पर्लाइट जैसी नरम सूक्ष्म संरचनाओं के निर्माण को देरी से करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि औद्योगिक स्टैम्पिंग डाई में ठंडक की दर के साथ भी इस्पात पूरी तरह से कठोर मार्टेंसाइट में बदल जाए।

3. क्या प्रेस कठोर इस्पात को वेल्ड किया जा सकता है?

हाँ, PHS को वेल्ड किया जा सकता है, लेकिन इसके लिए विशिष्ट मापदंडों की आवश्यकता होती है। चूंकि इस सामग्री में आमतौर पर लगभग 0.22% कार्बन होता है, इसलिए यह प्रतिरोध स्पॉट वेल्डिंग (RSW) और लेजर वेल्डिंग के लिए उपयुक्त है। हालांकि, वेल्डिंग गर्म प्रभावित क्षेत्र (HAZ) को थोड़ा नरम कर देती है, जिसे डिजाइन में ध्यान में रखा जाना चाहिए। AlSi-लेपित इस्पात के लिए, वेल्ड पूल में दूषित होने से बचाने के लिए लेपन को हटा दिया जाना चाहिए (लेजर अब्लेशन द्वारा) या वेल्डिंग के दौरान सावधानीपूर्वक प्रबंधित किया जाना चाहिए।