Svojstva čelika za termooblikovanje: Tehnički vodič za čvrstoću i oblikovnost

KRATKO

Čelik za kaljenje pod tlakom (PHS), također poznat kao vruće utisnuti ili boron čelik, ultra je visokocvrsti legura (najčešće 22MnB5) koja je dizajnirana za sigurnosne komponente u automobilima. Dostavlja se u kovkom feritno-perlitnom stanju (granica razvlačenja ~300–600 MPa), ali transformira se u iznimno tvrdu martensitnu strukturu (čvrstoća na vlak 1300–2000 MPa) nakon zagrijavanja na ~900°C i kaljenja u hlađenom alatu. Ovaj proces eliminira povratno savijanje, omogućuje složene geometrije te značajno smanjenje mase u ključnim konstrukcijama za sudar, poput A-stubova i branika.

Što je čelik za kaljenje pod tlakom (PHS)?

Čelik za termičko kaljenje (PHS), koji se u automobilskoj industriji često naziva i vruće žbukanim čelikom ili vruće oblikovanim čelikom, predstavlja kategoriju čelika legiranog borom koja prolazi specijalizirani toplinski i mehanički proces oblikovanja. Za razliku od konvencionalnih hladno žbukanih čelika koji se oblikuju na sobnoj temperaturi, PHS se zagrijava dok ne dostigne austenitno stanje, a zatim se istovremeno oblikuje i kalji unutar rashlađenog alata.

Standardna klasa za ovaj postupak je 22MnB5 , ugljično-manganska-borna legura. Dodatak bora (tipično 0,002–0,005%) ključan je jer drastično poboljšava kaljivost čelika, osiguravajući da se potpuna martensitna mikrostruktura može postići čak i pri umjerenim brzinama hlađenja. Bez bora materijal bi se tijekom faze kaljenja mogao transformirati u mekše faze poput bainita ili perlitita, te ne bi postigao ciljanu čvrstoću.

Osnovna transformacija koja daje PHS-u njegovu vrijednost je mikrostrukturalna. Isporučen kao meki feritno-perlitni lim, materijal je lako rezati i ručkati. Tijekom procesa vrućeg kaljenja, lim se zagrijava iznad temperature austenitizacije (najčešće oko 900–950°C). Kada se vrući list zatvori u kalupu, hlađenje se odvija vrlo brzo (stopama većim od 27°C/s). Ovo brzo hlađenje zaobilazi stvaranje mekših mikrostruktura i pretvara austenit izravno u martenzit , najtvrđu oblik strukture čelika.

Mehanička svojstva: U isporučenom stanju naspram zakaljenog

Za inženjere i specijaliste za nabavu, najvažniji aspekt svojstava čelika za vruće kaljenje je izrazita razlika između njegovog početnog i konačnog stanja. Ova dualnost omogućuje složeno oblikovanje (kada je mekan) i izuzetnu izvedbu (kada je tvrd).

Tablica u nastavku uspoređuje tipična mehanička svojstva standardne sorte 22MnB5 prije i nakon procesa vrućeg kaljenja:

Analiza čvrstoće pri popuštanju: Čvrstoća pri popuštanju obično se utrostruči tijekom procesa. Dok sirovina u isporuci djeluje slično standardnom konstrukcijskom čeliku, gotov dio postaje krut i otporan na deformacije, što ga čini idealnim za sigurnosne kaveze protiv prodiranja.

Tvrdoca i obradivost: Konačna tvrdoća od 470–510 HV čini mehaničko rezanje ili proboj iznimno teškim i sklonim habanju alata. Stoga se većina operacija rezanja gotovih PHS dijelova obavlja laserskim rezanjem (pogledajte SSAB tehnički podaci ) ili pomoću specijaliziranih kalupa za rezanje prije nego što se dio potpuno ohladi.

Uobičajene PHS klase i kemijski sastav

Iako 22MnB5 ostaje industrijski radni konj, potražnja za još lakšim i jačim komponentama dovela je do razvoja nekoliko varijanti. Inženjeri obično odabiru sorte na temelju ravnoteže između maksimalne čvrstoće i potrebne duktilnosti za apsorpciju energije.

• PHS1500 (22MnB5): Standardna sorta s vlačnom čvrstoćom od oko 1500 MPa. Sadrži približno 0,22% ugljika, 1,2% mangan i tragove borona. Ravnoteža čvrstoće i dovoljne žilavosti prikladna je za većinu sigurnosnih primjena.
• PHS1800 / PHS2000: Novije sorte ekstremno visoke čvrstoće koje povećavaju vlačnu čvrstoću na 1800 ili 2000 MPa. Ove postižu veću čvrstoću laganim povećanjem udjela ugljika ili modificiranim legurama (npr. silicij / niobij), ali mogu imati smanjenu žilavost. Koriste se za dijelove gdje je otpornost na prodiranje jedini prioritet, kao što su gredići zaštitnika ili krovni nosači.
• Duktibilne sorte (PHS1000 / PHS1200): Također poznati kao čelici za kaljenje pod tlakom (PQS), ovi sortimenti (kao što su PQS450 ili PQS550) dizajnirani su tako da zadrže veću istezljivost (10–15%) nakon kaljenja. Često se koriste u "mekim zonama" B-stupa kako bi apsorbirali energiju sudara umjesto da je prenose.

Kemijski sastav strogo se kontrolira kako bi se spriječile pojave poput krtosti zbog vodika, osobito kod sortimenata veće čvrstoće. Sadržaj ugljika obično se drži ispod 0,30% kako bi se očuvao prihvatljiv nivo zavarivosti.

Prevenci i otpornost na koroziju

Neobloženi čelik brzo oksidira kada se zagrije na 900°C, stvarajući tvrdi sloj koji oštećuje alate za utiskivanje i zahtijeva abrazivno čišćenje (pijeskarenje) nakon oblikovanja. Kako bi se to izbjeglo, većina modernih primjena PHS-a koristi predtretirane limove.

Aluminij-silicij (AlSi): Ovo je dominantni premaz za izravno vruće kaljenje. On sprječava stvaranje oksida tijekom zagrijavanja i pruža zaštitu od korozije kao barijera. Sloj AlSi stvara slitinu s čeličnim željezom tijekom faze zagrijavanja, stvarajući izdrživu površinu koja izdržava klizno trenje matrice. Za razliku od cinka, ne pruža galvansku (samo-lijekovitu) zaštitu.

Cink (Zn) premazi: Premazi na bazi cinka (cinkani ili galvanizirani) nude izvrsnu katodnu zaštitu od korozije, što je važno za dijelove izložene vlažnim uvjetima (poput škripaca). Međutim, standardno vruće kaljenje može uzrokovati Krtost tekućeg metala (LME) , gdje tekući cink prodre u granice zrna čelika uzrokujući mikropukotine. Često su potrebni specijalizirani "indirektni" postupci ili tehnike "predhlađenja" kako bi se sigurno obradili PHS limovi s cinkovim premazom.

Ključne inženjerske prednosti

Uvođenje čelika za termooblikovanje bilo je potaknuto specifičnim inženjerskim izazovima u dizajnu vozila. Materijal nudi rješenja koja hladno vučeni visokovrijedni niskolegirani (HSLA) ili dvofazni (DP) čelici ne mogu nadmašiti.

• Ekstremno olakšavanje: Korištenjem čvrstoća od 1500 MPa ili više, inženjeri mogu smanjiti debljinu dijela (smanjenje kalibra) bez kompromisa na sigurnosti. Dijelovi koji su ranije imali debljinu 2,0 mm u standardnom čeliku mogu se smanjiti na 1,2 mm u PHS-u, što donosi značajno uštedu mase.
• Nula povratnog savijanja: Kod hladnog oblikovanja, visokovrijedni čelici imaju tendenciju 'povratnog savijanja' u prvobitni oblik nakon otvaranja alata, što otežava postizanje dimenzionalne točnosti. PHS se oblikuje dok je vruć i mekan (austenit), a kaljenjem u stegnutom alatu ostvaren je konačni oblik. Ovim se fiksira geometrija, rezultirajući gotovo nultim povratnim savijanjem i izuzetnom dimenzionalnom preciznošću.
• Složene geometrije: Budući da se oblikovanje događa dok je čelik kovan (~900°C), složeni oblici s dubokim vučenjem i malim polumjerima mogu se oblikovati u jednom hodu — geometrije koje bi se raspukle ili puknule da su izrađene od hladnog ultra-visokotvrdog čelika.

Tipične automobilske primjene

PHS je materijal izbora za "sigurnosnu kavez" modernih vozila — krutu strukturu koja je dizajnirana da zaštiti putnike tijekom sudara spriječavanjem prodiranja u kabine.

Kritične komponente

Standardne primjene uključuju A-stubove, B-stubove, krovne tračnice, ojačanja tunela, bočne pragove i grede za zaštitu od prodiranja u vrata . U novije vrijeme, proizvođači počinju integrirati PHS u kućišta baterija električnih vozila kako bi zaštitili module od bočnih udaraca.

Prilagođene svojstva

Napredna proizvodnja omogućuje "prilagođeno kaljenje", pri kojem se određena područja jednog dijela (poput donjeg dijela B-stuba) sporije hlade kako bi ostala mekana i duktilna, dok gornji dio postaje potpuno tvrd. Ova kombinacija optimizira dio kako za otpor prodiranju, tako i za apsorpciju energije.

Proizvođačima koji žele uvesti te napredne materijale, ključno je surađivati s posebnim obrtima. Tvrtke poput Shaoyi Metal Technology nude sveobuhvatna rješenja za auto dijelove izradene postupkom utiskivanja, sposobne zadovoljiti zahtjeve visokih tonaža (do 600 tona) i upravljati preciznim alatima potrebnim za složene auto komponente, od brzog izrade prototipa do masovne proizvodnje prema standardima IATF 16949.

Zaključak

Svojstva čelika za kaljenje pod tlakom predstavljaju važnu sinergiju između metalurgije i proizvodnog procesa. Iskorištavanjem fazne transformacije ferita u martensit, inženjeri postižu materijal koji je dovoljno oblikoviv za složene dizajne, a istovremeno dovoljno jak da štiti živote. Kako se klase razvijaju prema 2000 MPa i više, PHS će ostati temelj sigurnosnih i olakšanih automobilskih strategija.

Često postavljana pitanja

1. U čemu je razlika između vrućeg utiskivanja i kaljenja pod tlakom?

Nema razlike; izrazi se koriste zamjenjivo. „Kaljenje pod tlakom“ odnosi se na metalurški proces kaljenja koji se odvija u preši, dok „toplo utiskivanje“ opisuje postupak oblikovanja. Oba izraza opisuju isti niz proizvodnje korišten za izradu dijelova od visokovrstog martenzitskog čelika.

2. Zašto se u čelik za kaljenje pod tlakom dodaje bor?

Bor se dodaje u malim količinama (0,002–0,005%) kako bi se znatno povećala kaljivost čelika. On usporava stvaranje mekših mikrostruktura poput ferita i perlita tijekom hlađenja, osiguravajući da se čelik transformira u potpuno tvrdi martenzit čak i pri brzinama hlađenja postignutim u industrijskim alatima za utiskivanje.

3. Može li se čelik kaljen pod tlakom zavarivati?

Da, PHS je zavariv, ali zahtijeva specifične parametre. Budući da materijal obično ima udio ugljika od oko 0,22%, kompatibilan je sa točkastim zavarivanjem otporom (RSW) i laserskim zavarivanjem. Međutim, zavarivanje nešto omekšava Zonu termičkog utjecaja (HAZ), što treba uzeti u obzir pri projektiranju. Kod čelika s AlSi prevlakom, prevlaka se mora ukloniti (pomoću laserske ablacije) ili pažljivo upravljati njome tijekom zavarivanja kako bi se spriječilo onečišćenje zavarivačke kupke.