TL;DR

Divfāžu (DP) tēraudi ir jaunā paaudzes augstas izturības tēraudi (AHSS), kuru mikrostruktūrā cietais martensīts izkliedēts mīkstā ferīta matricā. Šī unikālā kombinācija nodrošina zemu izturības pret plūstamību attiecību (~0,6) un augstu sākotnējo cietināšanās ātrumu (n-vērtība), kas to padara par ideālu materiālu sarežģītām automašīnu štampēšanas operācijām, kurām nepieciešama gan veidojamība, gan avārijas noturība. Tomēr veiksmīgai štampēšanai ir jāpārvalda ievērojams atsprūdes un malu plaisāšanas risks. Inženieriem parasti ir jāpalielina punches ar 12–14% un jāizmanto stingrāka veidņu aprīkojums ar uzlabotām pārklājuma kārtām, piemēram, TiC vai CrN, lai varētu tikt galā ar paaugstinātajiem spēkiem un nodiluma līmeni.

Mikrostruktūra un mehāniskās īpašības

Divfāžu tērauda inženierijas vērtība slēpjas tā raksturīgajā divu fāžu mikrostruktūrā. Atšķirībā no zema leģējuma augststipruma (HSLA) tēraudiem, kas balstās uz izdalīšanās cietināšanu, DP tēraudi savas īpašības iegūst no kompozītstruktūras: nepārtraukts mīksts ferīta matricas veids, kas nodrošina plastiskumu, un izkliedēti cieti martensīta saliņi, kas nodrošina stiprumu. Deformējoties, deformācija koncentrējas mīkstākajā ferīta fāzē ap martensītu, rezultātā iegūstot augstu sākotnējo cietināšanas ātrumu (n-vērtība).

Šī mikrostruktūra rada mehāniskās uzvedības profilu, kas specifiski optimizēts aukstā veidošanai. Kamēr HSLA klases parasti demonstrē pagarinājuma robežas pret maksimālo stiepes izturību (YS/TS) attiecību aptuveni 0,8, DP tēraudi saglabā daudz zemāku attiecību — aptuveni 0,6. Šis zemākais plūstamības punkts ļauj plastiskajai deformācijai sākties agrāk, facilitējot sarežģītu formu veidošanu pirms materiāls sasniedz savu maksimālo stiepes izturību. Ražotājs norāda ka šis augstais n-vērtība ir īpaši iezīmīga zemākā deformācijas diapazonā (4–6%), kas palīdz vienmērīgi sadalīt deformāciju pa visu daļu un novērš lokalizētu sašaurināšanos agrīnā stempēšanas fāzē.

Parasti komerciālie pakāpes—piemēram, DP590, DP780 un DP980—tie tiek definēti ar savu minimālo stiepes izturību (MPa). Tā kā martensīta tilpuma daļa palielinās, stiepes izturība arī palielinās, bet dabiski samazinās plastiskums. Inženieriem ir jāsasniedz līdzsvars starp šiem faktoriem, bieži izvēloties zemāku martensīta daudzumu dziļstempētām detaļām un augstāku daudzumu strukturālajām sijām, kur pretiekļaušanas veiktspēja ir visaugstākā.

Stempēšanas problēmas: Atsperēšanās un malas plaisāšana

Tieši tas raksturojums, kas padara DP tēraudu vēlamo — tā lielais deformācijas cietināšanās ātrums — ievieš galveno ražošanas defektu: atgriešanās pēc formas. Tā kā materiāls ātri cietē deformācijas laikā, elastiskās atgriešanās spriegums, kas uzkrājas detaļā, ir ievērojami augstāks nekā maigos tēraudos. Tas izpaužas kā sānu sienu saviešanās un leņķa maiņa pēc tam, kad detaļa tiek noņemta no veidnes, sarežģot formu precizitāti montāžai.

Lai mazinātu atgriešanos pēc formas, procesu inženieri izmanto vairākas veidņu dizaina stratēģijas. Pārmērīga izliekuma nodrošināšana veidņu virsmām ļauj materiālam atslābināties pareizajā ģeometrijā. Papildus sienas spraugu vai stingrinātāju projektēšana var fiksēt ģeometriju vietā. Viena sarežģītāka tehnika ietver liela deformācijas pakāpi, ko piemēro presēšanas gājiena beigās, lai samazinātu atlikušos spiedes spriegumus, efektīvi „iestatot“ formu.

Malu plaisāšana ir vēl viens kritisks izkļūves veids, īpaši stiepļu apmales operāciju laikā. Cietā ferīta un cietā martensīta cietības atšķirība rada sprieguma koncentrācijas pie griezuma malām, kas rada mikro tukšumus, kuri var saplūst plaisās. SSAB ieteic izmantot specializētas "Divfāžu augstas formējamības" (DH) klases ģeometrijām, kurās nepieciešama dziļa velmēšana vai izstieptas malas. Šīs trešās paaudzes AHSS klases izmanto TRIP palīgstruktūras (ar saglabātu austēnītu), lai uzturētu formējamību augstākā deformācijas līmenī, nodrošinot labāku pretestību malu plaisāšanai salīdzinājumā ar standarta DP klasēm.

Instrumentu un matricu projektēšanas norādījumi

Divfāžu tērauda žāvēšanai ir nepieciešams pamatīgi pārdomāt standarta instrumentu parametrus, ko izmanto maigam tēraudam vai HSLA. Svarīgākā korekcija ir punches atstatums. Standarta atstatumi aptuveni 9% no metāla biezuma bieži izraisa smagas malu plaisas DP tēraudā materiāla augstās šķelšanās izturības dēļ.

Dati no Tata Steel parāda, ka palielinot izurbjuma spraugu līdz 12–14%ievērojami uzlabo malas kvalitāti. Viens no piemēriem liecina, ka, palielinot spraugu no 9% līdz 12%, detaļu plaisāšanas biežums samazinājās no 22% gandrīz līdz nullei. Šī lielākā sprauga maina sprieguma stāvokli griešanas malā, samazinot mikroplaisu rašanās tendenci flančos.

Arī rīku nodilums notiek ātrāk. Lai veidotu DP tēraudu — bieži pārsniedzot 600 tonnas strukturālajām sastāvdaļām — nepieciešams augsts kontaktspiediens, kas var izraisīt saplūšanu un ātru matricu degradāciju. Tērauda instrumentus jāpārklāj ar cietiem, zemu berzi radošiem pārklājumiem, piemēram, titanakarbīdu (TiC) vai hroma nitrīdu (CrN), lai pagarinātu ekspluatācijas intervālus. Turklāt pašai preses iekārtai jābūt pietiekami stingrai, lai novērstu izlieci šādos augstos slodzēs, kas pretējā gadījumā negatīvi ietekmētu detaļu tolerances.

Ražotājiem, kuri saskaras ar šādām paaugstinātām prasībām aprīkojumam, visbiežāk efektīvākais risinājums ir sadarbība ar specializētu izgatavošanas pakalpojumu sniedzēju. Shaoyi Metal Technology piedāvā plašas štampēšanas risinājumu kas veido tiltu no prototipēšanas līdz masveida ražošanai. Ar spiedpāres iespējām līdz 600 tonnām un IATF 16949 sertifikāciju, tie ir aprīkoti, lai izturētu augstas stiprības tērauda DP un DH klases prasības attiecībā uz tonnāžu un precizitāti, piemēram, kontroles svirām un rāmjiem.

Cietināšana cepšanas laikā un galīgā veiktspēja

Viens no divfāžu tērauda slēptajiem priekšrocībām ir tās "cietināšana cepšanas laikā" (BH). Šis fenomens notiek automašīnu krāsošanas kūpināšanas ciklā, parasti aptuveni 170°C temperatūrā 20 minūtes. Šīs termiskās procesa laikā brīvie oglekļa atomi tērauda mikrostruktūrā izplatās un fiksē dislokācijas, kas rodas dziļrakstā.

Šis mehānisms ievērojami palielina izturību pret plīstamību — parasti palielinoties par 50 līdz 100 MPa —, neietekmējot detaļas izmērus. Šī statiskā izturības pieauguma dēļ automašīnu inženieri var „samazināt kalnu” (izmantot plānāku materiālu), lai samazinātu transportlīdzekļa svaru, vienlaikus nodrošinot, ka gala detaļa atbilst avārijas drošības mērķiem. Deformācijas cietināšanas efekts no preses ceha un krāsošanas ceha termiskās apstrādes rezultātā kopā piešķir pēdējam komponentam izcilas enerģijas absorbēšanas spējas, tādējādi padarot DP tēraudu par standarta izvēli drošības karkasa sastāvdaļām, piemēram, B stabiņiem, jumta riepām un šķērsstieņiem.

Secinājums: Optimizācija AHSS ražošanai

Divfāžu tērauds automašīnbūvē ir kritiska līdzsvara vieta, nodrošinot nepieciešamo izturību drošuma prasībām un plastiskumu, kas vajadzīgs ražošanas iespējamībai. Lai gan materiāls rada noteiktas grūtības — īpaši attiecībā uz atgriešanās pārvaldību un instrumenta nolietojumu — šīs var efektīvi pārvarēt, izmantojot datorizētu matricu dizainu un piemērotu presi. Ievērojot ferīta-martensīta mikrostruktūras unikālo fiziku un pielāgojot parametrus, piemēram, spraudni, ieteicamajā 12–14% diapazonā, ražotāji var pilnībā izmantot šī universālā materiāla potenciālu svara samazināšanai un veiktspējas uzlabošanai.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kā divfāžu tērauds atšķiras no HSLA tērauda?

Kaut augsta izturības zemā leģējuma (HSLA) tērauds balstās uz mikroleģēšanas elementiem, lai veidotu izdalīšanās cietināšanu, divfāžu (DP) tērauds balstās uz divu fāžu mikrostruktūru — ferītu un martensītu. Tas DP tēraudam nodrošina zemāku izturības pret rāvējspēku attiecību (~0,6 pret 0,8 HSLA) un augstāku sākotnējo cietināšanās ātrumu deformēšanas laikā, kas ļauj labāku formējamību vienādās stiepes izturībās.

2. Kāds ir ieteicamais puņķa spraugums DP tērauda stampēšanai?

Standarta puņķa spraugas, ko izmanto maigam tēraudam (apmēram 9%), parasti ir pārāk mazas DP tēraudam un var izraisīt malu plaisāšanu. Nozares labākās prakses ieteic to palielināt līdz 12–14%no materiāla biezuma, lai uzlabotu malas kvalitāti un instrumenta kalpošanas laiku.

3. Kas izraisa atspirgšanu divfāžu tēraudā?

Atgriešanās izraisīta ar materiāla lielu elastisko atgūšanos pēc formēšanas. DP tērauda lielais cietināšanās ātrums nozīmē, ka deformācijas laikā tas uzkrāj ievērojamu elastīgo enerģiju. Kad veidne atveras, šī enerģija tiek atbrīvota, izraisot detaļas atgriešanos vai saviešanos. To kompensē, palielinot liekumu vai atkārtoti apstrādājot veidnē.

4. Vai divfāžu tēraudu var velt?

Jā, DP tēraudiem parasti ir laba velmējamība, taču jāņem vērā konkrētais oglekļa ekvivalents. Kaut arī zemākas stiprības klases (DP590) viegli var punktveidā savelmēt, augstākas stiprības klases (DP980 un augstāk) var prasīt veltēšanas parametru korekciju, piemēram, palielinātu elektrodu spēku vai specifiskus impulsu režīmus, lai novērstu trauslas plaisas velmēšanas termiski ietekmētajā zonā.