KRATKO

The postupak termičkog oblikovanja čelika s borom (također poznat kao kaljenje pod tlakom) je termički postupak oblikovanja koji niskolegirani čelik s borom – najčešće 22MnB5 – transformira iz feritno-perlitne mikrostrukture (~600 MPa) u potpuno martenzitično stanje (~1500 MPa). Ova transformacija postiže se zagrijavanjem polaznog materijala na temperature austenitizacije ( 900–950°C ) te naknadnim oblikovanjem i kaljenjem unutar rashlađenog alata brzinama većim od 27°C/s . Postupak omogućuje proizvodnju složenih, laganih automobilskih komponenti izuzetno visoke čvrstoće bez povratnog savijanja, poput B-stubova i krovnih nosača.

Fizika termičkog oblikovanja: Izravna i neizravna metoda

Termičko oblikovanje nije jedinstven postupak; dijeli se na dvije različite metodologije – Direktno i Indirektno —definirano prema trenutku oblikovanja u odnosu na termički ciklus. Razumijevanje razlike je kritično za procesne inženjere koji biru opremu za specifične geometrije dijelova.

Izravno vruće kaljenje

Izravna metoda je industrijski standard za većinu strukturnih komponenti zbog svoje učinkovitosti. U ovom slijedu, ravni list se prvo zagrije u peći na približno 900–950°C kako bi se postigla homogena austenitska struktura. Vrući list zatim se brzo prenosi (obično u manje od 3 sekunde) na prešu, gdje se istovremeno oblikuje i kaljenjem hladi u hlađenom alatu. Ova metoda je ekonomična, ali ograničena oblikovljivošću materijala na visokim temperaturama; ekstremne dubine izvlačenja mogu dovesti do tanjanja ili pucanja.

Neizravno vruće kaljenje

Za dijelove s iznimno složenim geometrijama koje premašuju granice oblikovanja čelika na visokim temperaturama, koristi se neizravna metoda. Ovdje se list hladno oblikuje do gotovo konačnog oblika (90–95% dovršeno) prije zagrijavanja. Preoblikovani dio se zatim austenitizira u specijalnoj peći i prenosi u prešu za završnu kalibraciju i kaljenje. Iako to omogućuje složenije oblike, znatno povećava vrijeme ciklusa i kapitalna ulaganja zbog dodatne hladne žigoske faze i potrebe za 3D sustavima za rukovanje u peći.

Metalurška transformacija: Pretvaranje 22MnB5 u martenzit

Temeljna vrijednost vrućeg žigosanja leži u mikrostrukturnoj faznoj transformaciji 22MnB5 čelika. U stanju isporuke, ovaj borom legirani čelik pokazuje feritno-perlitnu mikrostrukturu s granicom razvlačenja od približno 350–550 MPa i čvrstoćom na vlak od otprilike 600 MPa. Procesno inženjerstvo usmjereno je na upravljanje triju ključnih varijabli kako bi se promijenila ova struktura.

1. Austenitizacija

Čelik se mora zagrijati iznad svoje gornje kritične temperature (Ac3), obično oko 850°C , iako radne točke procesa često variraju od 900°C do 950°C kako bi se osigurala potpuna transformacija. Tijekom vremena zadržavanja (obično 4–10 minuta, ovisno o debljini i tipu peći), ugljik ulazi u čvrstu otopinu, stvarajući austenit. Ova struktura s plošno centriranom kockom (FCC) je duktilna, što omogućuje složeno oblikovanje s nižom silom u usporedbi s hladnim kaljenjem.

2. Uloga borona i brzina hlađenja

Boron se dodaje leguri (0,002–0,005%) posebno kako bi se odgoda stvaranje ferita i perlit a tijekom hlađenja. Ovaj sredstvo za poboljšanje kaljenja omogućuje da se čelik ohladi pri upravljivoj brzini — obično >27°C/s (kritična brzina hlađenja) — kako bi se izbjegao vrh krivulje bainita i izravno transformirao u martenzit . Ako brzina hlađenja padne ispod ove granice, formiraju se mekše faze poput bainita, što narušava konačnu čvrstoću.

3. Rješenje Al-Si prevlake

Na temperaturama iznad 700°C, čelik bez premaza brzo oksidira, stvarajući tvrdu koru koja oštećuje kalupe i zahtijeva naknadno piaskarenje. Kako bi se to spriječilo, materijali koji su standard u industriji poput Usibor 1500P koriste prethodno nanijeti aluminijsko-silikonski (Al-Si) premaz. Tijekom zagrijavanja, ovaj premaz stvara slitinu s podlogom i formira difuzijski sloj Fe-Al-Si, koji sprječava stvaranje kore i dekarburaciju. Ova inovacija eliminira potrebu za zaštitnim atmosferama u peći te naknadnim postupcima čišćenja, čime se pojednostavljuje proizvodna linija.

Proizvodna linija: Ključna oprema i parametri

Uvođenje linije za vruće oblikovanje zahtijeva specijaliziranu opremu sposobnu upravljati ekstremnim termičkim gradijentima i visokim silama. Ulaganje u kapital je znatno, što često zahtijeva strateške partnerstve za izradu prototipa i dodatnu proizvodnju.

• Tehnologija peći: Valjčani pećinski uređaji su standard za direktno kaljenje u visokim volumenima. Moraju održavati jednolikost temperature unutar ±5°C kako bi se osigurale konstantne mehaničke osobine. Za indirektne procese ili niže volume koriste se komorni pećevi. Ukupno vrijeme zadržavanja funkcija je debljine sirovca, obično se izračunava kao t = (debljina × konstanta) + osnovno vrijeme , što često rezultira 4–6 minuta za standardne debljine.
• Hidraulični i servo preši: Za razliku od hladnog kaljenja, preš mora zadržati položaj na dnu hoda kako bi držao dio uz hlađene površine alata. Hidraulično iLI servo-hidraulični preši su preferirani zbog svoje sposobnosti da ostvare i održe maksimalnu silu (češće 800–1200 tona) tijekom potrebnog vremena kaljenja (5–10 sekundi). Ukupno vrijeme ciklusa obično varira od 10 do 30 sekundi.
• Alati i kanali za hlađenje: Kalup je izmjenjivač topline. Mora sadržavati složene unutarnje kanale za hlađenje (češće bušene ili izrađene 3D ispisom) za cirkulaciju vode velikim brzinama protoka. Cilj je brzo odvođenje topline, održavajući temperaturu površine alata ispod 200°C kako bi se osiguralo učinkovito kaljenje.
• Laserско rezanje: Budući da gotov dio ima čvrstoću na vlak do ~1500 MPa, tradicionalni mehanički kalupi za obrub brzo se troše. Stoga, laser rezanje (najčešće 5-osni laserski sustavi s vlaknastim laserima) je standardna metoda za izradu otvora i konačnih kontura nakon oblikovanja.

Za proizvođače koji prelaze s prototipa na serijsku proizvodnju, složenost ovog lanca opreme može predstavljati prepreku. Korištenje Kompletna rješenja za utiskivanje tvrtke Shaoyi Metal Technology može premostiti tu razliku. Njihove mogućnosti, koje uključuju preciznu presu do 600 tona i pridržavanje standarda IATF 16949, pružaju potrebnu inženjersku infrastrukturu za provjeru parametara procesa i povećanje proizvodnje bez odmah potrebnih velikih kapitalnih ulaganja.

Napredne primjene: Prilagođena svojstva i meke zone

Suvremeni dizajn sigurnosti vozila često zahtijeva da jedan komponent ima dvostruka svojstva: visoku otpornost na prodiranje (tvrdo) i visoku apsorpciju energije (meko). Vruće oblikovanje omogućuje ovo putem Prilagođene svojstva .

Tehnologije mekih zona

Kontrolom brzine hlađenja u određenim područjima kalupa, inženjeri mogu spriječiti martenzitsku transformaciju u lokaliziranim zonama. Na primjer, B-stub mora imati potpuno martenzitski gornji dio (1500 MPa) kako bi zaštitio glavu vozača, ali mekši, duktilni donji dio (500–700 MPa) koji apsorbira energiju tijekom bočnog sudara. Ovo se postiže izolacijom određenih dijelova alata ili korištenjem grijača kako bi se temperatura kalupa zadržala iznad temperature početka martenzita (Ms), omogućujući umjesto toga formiranje bainita ili ferita.

Prilagođeni zavarani poluproizvodi (TWBs)

Drugi pristup uključuje lasersko zavarivanje dva različita čelična sortimenta ili debljina prije procesa termoobrade. List može kombinirati borov čelik s duktilnim HSLA čeličnim listom. Tijekom termoobrade, strana od borovog čelika se očvrsne, dok strana od HSLA čelika zadržava duktilnost, stvarajući dio s izraženim zonama performansi bez složenih sustava za zagrijavanje alata.

Strateška analiza: Prednosti, nedostaci i troškovi

Odluka o uvođenju termoobrade uključuje složeni kompromis između performansi i troškova. Sljedeća analiza ističe ključne faktore odluke za inženjere automobilske industrije.