Presu kietinamo plieno savybės: techninis vadovas apie stiprumą ir formuojamumą

TRUMPAI

Presu kietinimo plienas (PHS), taip pat žinomas kaip karšto štampavimo arba borą turintis plienas, yra ultraaukštos stiprybės lydinys (paprastai 22MnB5), skirtas automobilių saugos komponentams. Jis tiekiamas lankstioje feritinėje-perlitinėje būsenoje (atkirties riba ~300–600 MPa), tačiau po pašildymo iki ~900 °C ir aušinimo vėsinamame įrube pasikeičia į itin kietą martensitinę struktūrą (tempimo stipris 1300–2000 MPa). Šis procesas pašalina tamprųjį grįžimą, leidžia sudėtingas geometrijas ir užtikrina reikšmingą svorio mažėjimą svarbiuose susidūrimo konstrukcijų elementuose, tokiuose kaip A stulpeliai ir buferiai.

Kas yra presu kietinimo plienas (PHS)?

Presu kietinimo plienas (PHS), automobilių pramonėje dažnai vadinamas karštai štampuotu arba karštai formuotu plienu, atstovauja boru legiruotų plienų kategoriją, kuri yra apdorojama specialiu terminiu ir mechaniniu formavimo procesu. Skirtingai nuo įprastų šaltai štampuojamų plienų, kurie formuojami kambario temperatūroje, PHS yra kaitinamas, kol pasiekia austenitinę būseną, o tada formuojamas ir aušinamas vienu metu vėsinamame įrankyje.

Šiam procesui standartinis laipsnis yra 22MnB5 , anglies-mangano-boro lydinys. Boras (paprastai 0,002–0,005 %) yra svarbus, nes žymiai padidina plieno kietinamumą, užtikrindamas, kad visiškai martensitinė mikrostruktūra būtų pasiekta net esant vidutinei aušinimo spartai. Be boro medžiaga galėtų perėjus į minkštesnes fazines, tokias kaip bainitas ar perlitas, aušinant, nepasiekiant reikiamo stiprumo.

Pagrindinis pokytis, suteikiantis PHS vertę, yra mikrostruktūrinis. Pristatoma kaip minkštas feritinis-perlitinis lakštas, medžiaga lengvai pjaunama ir tvarkoma. Karšto štampavimo procese ji įkaitinama aukščiau austenitinimo temperatūros (paprastai apie 900–950 °C). Kai karštas blankas suveržiamas formoje, jis greitai aušinamas (aušinimo sparta viršija 27 °C/s). Šis greitas aušinimas aplenkia minkštesnių mikrostruktūrų susidarymą ir tiesiogiai transformuoja austenitą į martensitas , kietiausią plieno struktūros tipą.

Mechaniniai savybės: pristatyta būsena prieš ir po sukietinimo

Inžinieriams ir tiekėjų specialistams svarbiausias preso sukietinimo plieno savybių aspektas yra ryškus skirtumas tarp pradinės ir galutinės būsenos. Ši dualybė leidžia sudėtingą formavimą (kai yra minkštas) ir išskirtinį našumą (kai yra kietas).

Žemiau pateikta lentelė palygina standartinio 22MnB5 markės tipines mechanines savybes prieš ir po preso sukietinimo proceso:

Takumo stiprio analizė: Takumo stipris procese paprastai išauga tris kartus. Pristatytas medžiaga elgiasi panašiai kaip standartinė konstrukcinė plieno rūšis, tačiau pagamintas gaminys tampa standus ir atsparus deformacijai, todėl jis idealiai tinka naudoti kaip antikibirkštinė saugos karkasas.

Kietumas ir apdirbiamumas: Galutinis kietumas 470–510 HV daro mechaninį pjovimą ar skardos iškirpimą labai sudėtingu ir linkęs greitai dilti įrankiams. Todėl dauguma pjovimo operacijų ant galinių PHS detalių atliekamos naudojant lazerio pjaustymą (žr. SSAB techniniai duomenys ) arba specialius kieto pjovimo kalibrus nedelsiant prieš tai, kai detalė visiškai atvėsta.

Dažniausios PHS rūšys ir cheminė sudėtis

Nors 22MnB5 iki šiol lieka pramonės pagrindinis plienas, dar lengvesnių ir stipresnių detalių poreikis skatina kelių jo atmainų kūrimą. Inžinieriai paprastai parenka rūšis remdamiesi pusiausvyra tarp maksimalaus stiprumo ir būtino plastinumo energijai sugerpti.

• PHS1500 (22MnB5): Standartinė rūšis su ~1500 MPa temptiniu stiprumu. Ji turi apie 0,22 % anglies, 1,2 % mangano ir pėdsakų borą. Ši rūšis derina stiprumą su pakankamu atsparumu, reikiamu daugumai saugos taikymų.
• PHS1800 / PHS2000: Naujesnės ultraaukšto stiprumo rūšys, kurios padidina temptinį stiprumą iki 1800 arba 2000 MPa. Jos pasiekia didesnį stiprumą dėl šiek tiek padidinto anglies kiekio ar modifikuotos lydinio sudėties (pvz., silicio/niobio), tačiau gali turėti sumažėjusį atsparumą. Jos naudojamos dėlms, kur kliūčių įsibrovimui yra vienintelis prioritetas, pvz., buferiuose ar stogo atramose.
• Plastiškos rūšys (PHS1000 / PHS1200): Taip pat žinomi kaip presuojamieji kietinimo plienai (PQS), šios rūšys (pvz., PQS450 arba PQS550) sukurtos išlaikyti didesnį pailgėjimą (10–15 %) po kietinimo. Jie dažnai naudojami B stulpelio „minkštuose zonose“, kad sugertų smūgio energiją, o ne perduotų jos.

Cheminis sudėtis griežtai kontroliuojama, siekiant išvengti tokių problemų kaip vandenilio trapumas, ypač aukštesnės stiprybės rūšyse. Anglies kiekis paprastai laikomas žemiau 0,30 %, kad būtų išlaikytas pakankamas suvirinamumas.

Dangalai ir korozijos atsparumas

Neapdorotas plienas labai greitai oksiduojasi, kai įkaista iki 900 °C, susidarydamas kietą luobą, kuris pažeidžia formavimo įrankius ir reikalauja abrazyvinio valymo (smėlio šlifavimo) po formavimo. Tam išvengti dauguma šiuolaikinių PHS taikymų naudoja iš anksto padengtas lakštas.

Aliuminis-silicis (AlSi): Tai yra dominuojanti danga tiesioginiam karščio štampavimui. Ji neleidžia susidaryti oksidams kaitinant ir užtikrina barjerinę korozijos apsaugą. AlSi sluoksnis formuoja lydinį su plieno geležimi kaitinimo fazės metu, sukuriant patvarų paviršių, atsparų įrankio slydimo trinti. Skirtingai nuo cinko, ji neapsaugo galvaniškai (saviveiksmiu būdu).

Cinko (Zn) dangos: Cinku pagrįstos dangos (cinkuotos arba galvanizuotos) užtikrina aukštesnę katodinę korozijos apsaugą, kuri yra svarbi detalėms, veikiamoms drėgnos aplinkos (pvz., slenksčiams). Tačiau standartinis karščio štampavimas gali sukelti Skystojo metalo trapumą (LME) , kuomet skystas cinkas prasiskverbia į plieno grūdelių ribas, sukeliant mikroįtrūkimus. Cinkuotam PHS saugiai apdoroti dažnai reikia specialių „netiesioginių“ procesų arba „ankstyvo aušinimo“ technologijų.

Pagrindiniai inžineriniai pranašumai

Spaudžiamo kietinimo plieno savybių naudojimas buvo skatinamas specifinių inžinerinių iššūkių automobilių konstrukcijoje. Šis medžiaga siūlo sprendimus, kurių negali pasiekti šaltai formuoti aukštos stiprybės mažo lydinio (HSLA) ar dvifazio (DP) plienai.

• Ekstremalus lengvinimas: Naudojant stiprumą 1500 MPa ar didesnį, inžinieriai gali sumažinti detalės storį (storio mažinimas), neprarandant saugos. Detalė, kuri anksčiau buvo 2,0 mm storio standartiniame pliene, gali būti sumažinta iki 1,2 mm PHS, taupant reikšmingą svorį.
• Nulinis atsitraukimas: Šaltame formavime aukštos stiprybės plienai turi linkį po įrankio atvėrimo „atsitraukti“ į pradinę formą, dėl ko sunku pasiekti matmeninį tikslumą. PHS formuojamas karštas ir minkštas (austenitas) ir sukietėja esant fiksuotam įrangiui. Tai užfiksuoja geometriją vietoje, beveik visiškai pašalinant atsitraukimą ir užtikrinant išskirtinį matmeninį tikslumą.
• Sudėtingos Geometrijos: Kadangi formavimas vyksta, kai plienas yra lankstus (~900 °C), sudėtingos formos su giliomis ištraukomis ir siaurais spinduliais gali būti suformuotos vienu smūgiu – geometrijos, kurios šaltam ultraaukštos stiprybės plienui būtų įtrūkusios arba suskiltų.

Tipiški automobilių pritaikymai

PHS yra parenkamas modernių automobilių „saugos narvo“ medžiaga – standi konstrukcija, skirta apsaugoti keleivius avarijos metu, neleidžiant kabinui deformuotis.

Būtiniausios sudėtinės dalys

Standartiniai taikymai apima A-stulpelius, B-stulpelius, stogo bėgelius, tunelio stiprinimus, slenksčius ir durelių įsiveržimo sijas . Pastaruoju metu gamintojai pradėjo integruoti PHS į elektromobilių akumuliatorių korpusus, kad modulius apsaugotų nuo šoninių smūgių.

Priderintos savybės

Pažangios gamybos technologijos leidžia taikyti „priderintą gręžinį“, kai tam tikros vienos detalės zonos (pvz., B-stulpelio apačia) yra lėčiau aušinamos, kad išliktų minkštos ir plastiškos, tuo tarpu viršutinė dalis tampa visiškai kietu. Šis derinys optimizuoja detalę tiek įsiveržimui atremti, tiek energijai sugerti.

Gamintojams, norintiems įdiegti šiuos pažangius medžiagų tipus, būtina bendradarbiauti su specializuotais gamintojais. Tokios įmonės kaip Shaoyi Metal Technology teikia išsamią automobilių štampavimo detalių gamybą, gebančias atlikti didelės apkrovos darbus (iki 600 tonų) ir tvarkyti tikslų įrankių reikalavimus sudėtingoms automobilių detalėms, nuo greito prototipavimo iki masinės gamybos pagal IATF 16949 standartus.

Išvada

Presu kietinamo plieno savybės atspindi svarbią sinergiją tarp metalurgijos ir gamybos proceso. Panaudojant fazinį pertvarkymą iš ferito į martensitą, inžinieriai gauna medžiagą, kuri yra pakankamai formuojama sudėtingiems dizainams, tačiau pakankamai stipri, kad apsaugotų gyvybes. Kai medžiagos rūšys tobulėja link 2000 MPa ir aukštesnių verčių, presu kietinamas plienas liks automobilių saugumo ir lengvatinės konstrukcijos strategijų pagrindas.

Dažniausiai užduodami klausimai

1. Koks skirtumas tarp karšto štampavimo ir presu kietinimo?

Skirtumo nėra; šie terminai naudojami keičiamai. „Presuojamas kietinimas“ reiškia metalurginį kietinimo procesą, vykstantį presuose, o „karštas štampavimas“ – formavimo metodą. Abudu apibūdina tą patį gamybos etapą, naudojamą gauti aukštos stiprybės martensitinio plieno detalėms.

2. Kodėl į presuojamąjį kietinamąjį plieną pridedamas boro?

Boro pridedama nedideliais kiekiais (0,002–0,005 %), kad ženkliai padidėtų plieno kietinamumas. Jis vėluoja minkštesnių mikrostruktūrų, tokių kaip feritas ir perlitas, susidarymą aušinant, užtikrindamas, kad plienas virstų visiškai kietu martensitu net pramoniniuose štampavimo įrenginiuose pasiekiamomis aušimo spartomis.

3. Ar galima suvirinti presuotą kietinamąjį plieną?

Taip, PHS yra suvirinamas, bet tam reikia tam tikrų parametrų. Kadangi medžiaga paprastai turi maždaug 0,22% anglies, ji suderinama su atsparumo taškų suvirinimo (RSW) ir lazerio suvirinimo metodais. Tačiau suvirinimas šiek tiek minkšta šilumos zona (HAZ), kurią reikia atsižvelgti į projektavimo metu. AlSi dengtų plienų dangtelis turi būti pašalintas (lazeriniu būdu) arba juos reikia kruopščiai tvarkyti suvirinant, kad nebūtų užterštas suvirinimo baseinas.