Sajtolóedzett Acél Tulajdonságai: Műszaki Útmutató a Szilárdsághoz és Alakíthatósághoz

TL;DR

A préskeményítő acél (PHS), más néven forró sajtolt vagy boronacél, egy ultramagas szilárdságú ötvözet (általában 22MnB5), amelyet járműbiztonsági alkatrészekhez terveztek. Ez az anyag munkálható ferri-perlites állapotban kerül szállításra (folyáshatár ~300–600 MPa), de ~900 °C-ra történő felmelegítés és hűtött sablonban történő kiolvasztás után rendkívül kemény martensites szerkezetté alakul (szakítószilárdság 1300–2000 MPa). Ez az eljárás kiküszöböli a rugózást, lehetővé teszi bonyolult geometriák kialakítását, és jelentős tömegcsökkentést tesz lehetővé kritikus ütközési szerkezetekben, mint például az A-oszlopokban és a lökhárítókban.

Mi az a préskeményítő acél (PHS)?

A sajtolóedzésű acél (PHS), amelyet az autóiparban gyakran forrasztott acélként vagy melegen alakított acélként emlegetnek, egy olyan borral ötvözött acélkategóriát jelent, amely speciális hő- és mechanikai alakítási folyamaton megy keresztül. Ellentétben a szokványos, szobahőmérsékleten alakított hidegen sajtolt acélokkal, a PHS-t addig hevítik, amíg ausztenites állapotba nem kerül, majd egy hűtött szerszámban egyszerre alakítják és edzik.

Ennek a folyamatnak az alapfokozata 22MnB5 , egy szén-mangán-bor ötvözet. A bór hozzáadása (általában 0,002–0,005%) kritikus fontosságú, mivel jelentősen javítja az acél edzékenységét, így biztosítva, hogy akár mérsékelt hűtési sebességnél is teljes martenzites mikroszerkezet alakuljon ki. Bór nélkül az anyag a hűtés során puhaabb fázisokká, például bainitté vagy perlité alakulhatna át, és nem érné el a célként megadott szilárdságot.

A PHS értékét megalapozó alapvető átalakulás mikroszerkezeti jellegű. A anyag puha ferrit-perlit szerkezetű lemez formájában kerül szállításra, amely könnyen vágható és kezelhető. A melegen sajtöltési folyamat során az anyagot az ausztenitesedési hőmérséklete felett hevítik (általában kb. 900–950 °C). Amikor a forró alakdarabot az alakba zárják, gyorsan lehűtik (27 °C/s-t meghaladó hűtési sebességgel). Ez a gyors hűtés kikerüli a puha mikroszerkezetek kialakulását, és közvetlenül ausztenitből martensit -re alakítja át, a acél legkeményebb szerkezeti formájává.

Mechanikai tulajdonságok: Szállított állapot vs. Kikeményített állapot

Mérnökök és beszerzési szakemberek számára a sajtolásos keményítésű acélok legfontosabb tulajdonsága az alapanyag és a végső állapot közötti drámai különbség. Ez a kettősség lehetővé teszi a bonyolult alakítást (puha állapotban) és a kiemelkedő teljesítményt (kemény állapotban).

Az alábbi táblázat összehasonlítja a szabványos 22MnB5 típusú acél tipikus mechanikai tulajdonságait a sajtolásos keményítési folyamat előtt és után:

Folyáshatár-elemzés: A folyáshatár a folyamat során általában háromszorosára nő. Míg a szállított anyag viselkedése hasonló a szokásos szerkezeti acélhoz, az elkészült alkatrész merevvé válik és ellenáll a deformálódásnak, így ideális választás a behatolásgátló biztonsági ketrecekhez.

Keménység és megmunkálhatóság: A 470–510 HV végső keménység miatt a mechanikus vágás vagy kivágás rendkívül nehézzé válik, és gyors szerszámkopást okoz. Ennek következtében a PHS alkatrészek legtöbb vágási műveletét lézeres vágással (lásd: SSAB technikai adatok ) vagy speciális keményvágó sablonokkal hajtják végre közvetlenül az alkatrész teljes lehűlése előtt.

Gyakori PHS típusok és kémiai összetétel

Habár a 22MnB5 továbbra is az ipar munkalója, az még könnyebb és szilárdabb alkatrészek iránti igény számos változat fejlesztéséhez vezetett. A mérnökök általában a maximális szilárdság és a szükséges alakváltozási képesség (energiaelnyelés) közötti egyensúly alapján választják ki a típusokat.

• PHS1500 (22MnB5): A szabványos minőség, amelynek húzószilárdsága kb. 1500 MPa. Körülbelül 0,22% szenet, 1,2% mangánt és nyomokban bórt tartalmaz. A legtöbb biztonsági alkalmazás számára elegendő szívóssággal ötvözi a szilárdságot.
• PHS1800 / PHS2000: Újabb, extrém magas szilárdságú minőségek, amelyek húzószilárdságát 1800 vagy 2000 MPa-ig növelik. Ezeket enyhén növelt szén-tartalommal vagy módosított ötvözéssel (pl. szilícium/nióbium) érik el, de esetleg csökkentett szívóssággal járhatnak. Olyan alkatrészekhez használják őket, ahol az áthatolás ellenállása az egyetlen elsődleges szempont, például ütközőrudakhoz vagy tetőtartókhoz.
• Alakítható minőségek (PHS1000 / PHS1200): Más néven sajtolva edzett acélok (PQS), ezek a minőségek (például PQS450 vagy PQS550) úgy készülnek, hogy megmarad bennük a nagyobb nyúlás (10–15%) az edzést követően is. Gyakran a B-oszlop „lágy zónáiban” használják őket, hogy a baleset során keletkező energiát inkább elnyeljék, semsem továbbítsák.

A kémiai összetételt szigorúan ellenőrzik a hidrogén okozta ridegedés, különösen a nagyobb szilárdságú fokozatok esetében fellépő problémák elkerülése érdekében. A szén tartalmat általában 0,30% alatt tartják, hogy megfelelő hegeszthetőség maradjon fenn.

Bevonatok és korrózióállóság

A bevonat nélküli acél gyorsan oxidálódik, amikor 900 °C-ra melegítik, kemény réteget képezve, amely károsíthatja a kihajtóformákat, és alakítás után tömörített acélgolyózásos tisztítást (sugaras tisztítást) igényel. Ennek elkerülése érdekében a modern PHS alkalmazások többsége előbevont lemezeket használnak.

Alumínium-szilícium (AlSi): Ez a bevonat a domináns a közvetlen meleg alakítási eljárásoknál. Megakadályozza a rétegképződést a melegítés során, és határoló korrózióvédelmet biztosít. Az AlSi réteg az acél vasával ötvöződik a melegítési fázis alatt, így kialakul egy erős felület, amely ellenáll a forma csúszó súrlódásának. A cinkkel ellentétben nem nyújt galvanikus (önkijavító) védelmet.

Cink (Zn) bevonatok: A cinkalapú bevonatok (cinkbevonatos vagy galvanizált) kiváló katódos korrózióvédelmet nyújtanak, ami értékes olyan alkatrészeknél, amelyek nedves környezetnek vannak kitéve (például küszöbök). Azonban a szabványos meleg sajtolás Folyékony fémridegedést (LME) okozhat, amikor a folyékony cink behatol az acél szemcses határaiba, mikrotöréseket okozva. A cinkbevonatos PHS biztonságos kezeléséhez gyakran speciális "indirekt" eljárásokra vagy "előhűtési" technikákra van szükség.

Kulcsfontosságú mérnöki előnyök

A sajtható edzett acélok alkalmazását az autótervezés konkrét mérnöki kihívásai hajtották előre. Ez az anyag olyan megoldásokat kínál, amelyekkel a hidegen sajtolható nagy szilárdságú alacsony ötvözetű (HSLA) vagy kettős fázisú (DP) acélok nem tudnak versenyezni.

• Extrém könnyűsúlyúság: A 1500 MPa vagy annál nagyobb szilárdság kihasználásával a mérnökök csökkenthetik az alkatrész vastagságát (vastagságcsökkentés), anélkül hogy biztonsági kompromisszumot kötnének. Egy olyan alkatrész, amely korábban 2,0 mm-es volt szabványos acélból, PHS esetén csökkenthető 1,2 mm-re, jelentős súlymegtakarítást eredményezve.
• Nulla rugózás: A hidegen sajtolás során a nagy szilárdságú acélok hajlamosak az eredeti alakjukba történő visszahajlásra („rugózás”) a sablon kinyílása után, ami nehezíti a méretpontosságot. A PHS forrásban forró és lágy állapotban (ausztenit) alakul, és a sablonban rögzítve keményedik meg. Ez rögzíti a geometriát, így gyakorlatiljában nulla rugózást és kiváló méretpontosságot eredményez.
• Bonyolult geometriák: Mivel az alakítás akkor történik, amikor az acél alakítható (~900 °C), bonyolult formák, mély húzású és kis görbületi sugarú geometriák is egyszeri ütemben kialakíthatók – olyan geometriák, amelyek hideg, ultra nagy szilárdságú acéllal megpróbálva repednének vagy szakadnának.

Tipikus gépjármű-felhasználások

A PHS a modern járművek „biztonsági ketrece” esetében az elsőbbségi anyagválasztás – ez a merev szerkezet azért felelős, hogy baleset során megakadályozza a vezetőtér behorpadását, így védi az utasokat.

Kritikus alkatrészek

Tipikus alkalmazások: A-oszlopok, B-oszlopok, tetőfutók, alagút-megerősítések, küszöbtartók és ajtónyitás elleni gerendák . Legutóbbi időkben a gyártók elkezdték integrálni a PHS-t az elektromos járművek akkumulátortartóiba, hogy megvédjék a modulokat oldalirányú ütközések ellen.

Testreszabott tulajdonságok

A fejlett gyártási technológia lehetővé teszi a „testreszabott edzést”, amely során egy alkatrész adott zónái (például egy B-oszlop alsó része) lassabban hűlnek le, így puha és alakítható maradnak, míg a felső szakasz teljesen keményedik. Ez a kombináció optimálissá teszi az alkatrészt az áthatolás ellenállásában és az energiaelnyelésben is.

Azok számára, akik fejlett anyagok bevezetését tervezik, elengedhetetlen speciális gyártókkal együttműködni. Olyan vállalatok, mint a Shaoyi Metal Technology komplex autóipari sajtolási alkatrészekre kínálnak teljes körű megoldásokat, képesek nagy tonnás igények kezelésére (akár 600 tonnáig), valamint a precíz szerszámigények kezelésére összetett autóipari alkatrészek esetén, a gyors prototípusgyártástól egészen a tömeggyártásig IATF 16949 szabványok szerint.

Összegzés

A sajtolóedzésű acélok tulajdonságai fontos szinergiát jelentenek az ötvözet- és gyártástechnológia területén. A ferritből martenzitté történő fázisátalakulás kihasználásával az építészek olyan anyagot hoznak létre, amely elég alakítható összetett formákhoz, ugyanakkor elég erős az életek védelméhez. Ahogy az acélminőségek a 2000 MPa és azon túli tartományba fejlődnek, a sajtolóedzés továbbra is az autóipari biztonsági és könnyűsúlyú tervezési stratégiák sarokköve marad.

Gyakran Ismételt Kérdések

1. Mi a különbség a forró sajtolás és a sajtolóedzés között?

Nincs különbség; a kifejezéseket felcserélhetően használják. A „sajtolóedzés” a sajtolószerszámban lejátszódó metallurgiai edzési folyamatra utal, míg a „forró sajtolás” az alakítási módszert írja le. Mindkettő ugyanazt a gyártási sorrendet jelenti, amellyel nagy szilárdságú martenzites acélalkatrészeket állítanak elő.

2. Miért adnak bór-t a sajtolóedzésű acélhoz?

A bór kis mennyiségben (0,002–0,005%) kerül hozzáadásra, hogy jelentősen növelje az acél edzhetőségét. Késlelteti a lágyabb mikroszerkezetek, például a ferrit és a perlit képződését hűlés közben, így biztosítva, hogy az acél teljesen kemény martenzitté alakuljon át akár ipari sajtolóformákban elérhető hűtési sebességek mellett is.

3. Hegeszthető az előre megmunkáltan edzett acél?

Igen, az előre megmunkáltan edzett acél (PHS) hegeszthető, de ehhez speciális paraméterek szükségesek. Mivel az anyag szén-tartalma általában körülbelül 0,22%, ezért kompatibilis az ellenállás-pontkötéssel (RSW) és a lézerhegesztéssel. A hegesztés azonban kissé megpuhítja a hőhatásövezetet (HAZ), amelyet a tervezés során figyelembe kell venni. AlSi-bevonatú acélok esetén a bevonatot el kell távolítani (például lézeres abrázióval) vagy gondosan kezelni kell a hegesztés során, hogy elkerüljék a hegesztési fürdő szennyeződését.