Preses cietināšanas tērauda īpašības: tehniskais ceļvedis par izturību un veidojamību

TL;DR

Presēšanas cietināšanas tērauds (PCT), pazīstams arī kā karstspieduma vai bora tērauds, ir ultraaugstas izturības sakausējums (parasti 22MnB5), kas izstrādāts automašīnu drošības komponentiem. Tas tiek piegādāts plastiskā ferīta-perlitā struktūrā (plastiskuma robeža ~300–600 MPa), taču pēc uzsildīšanas līdz ~900°C un dzesēšanas aukstā matricā pārvēršas ārkārtīgi cieta martensīta struktūrā (stiepes izturība 1300–2000 MPa). Šis process novērš atsperību, ļauj sarežģītas ģeometrijas un nodrošina būtisku svaru samazinājumu svarīgos avārijas elementos, piemēram, A-stabos un amortizatoros.

Kas ir presēšanas cietināšanas tērauds (PCT)?

Spiedizmocinātā tērauda (PHS), ko bieži automašīnu rūpniecībā sauc par karstpresētu vai karsta veidošanas tēraudu, pārstāv boru sakausētu tēraudu kategoriju, kas pakļauta speciālam termiskajam un mehāniskajam veidošanas procesam. Atšķirībā no parastajiem aukstpresētajiem tēraudiem, kurus veido istabas temperatūrā, PHS tiek uzsildīts līdz austēniskajam stāvoklim un pēc tam vienlaikus veidots un izcietināts atdzesētā formā.

Šim procesam standarta klase ir 22MnB5 , oglekļa-mangāna-bora sakausējums. Bora pievienošana (parasti 0,002–0,005%) ir būtiska, jo tā ievērojami uzlabo tērauda cietināmību, nodrošinot pilnībā martensīta mikrostruktūru pat vidējos dzesēšanas ātrumos. Bez bora materiāls dzesēšanas fāzē var pārvērsties mīkstākās fāzēs, piemēram, bēinitā vai perlitā, neesot sasniedzis vēlamo stiprumu.

Pamata transformācija, kas piešķir PHS tā vērtību, ir mikrostrukturāla. Piegādāts kā mīksts ferīta-perlitu loksnes materiāls, tas ir viegli griežams un apstrādājams. Karstās štancēšanas procesā materiāls tiek uzsildīts virs tā austenitizācijas temperatūras (parasti aptuveni 900–950°C). Kad karstais заготовка tiek fiksēts veidnē, tas tiek dzesēts ātri (ar dzesēšanas ātrumu, kas pārsniedz 27°C/s). Šī straujā dzesēšana izvairās no mīkstāku mikrostruktūru veidošanās un pārvērš austenītu tieši par martensīts , cietāko tērauda struktūru.

Mehāniskās īpašības: Sākotnējā stāvoklī pret Cietināto

Inženieriem un iepirkumu speciālistiem svarīgākā aspekts preses cietināšanas tērauda īpašībās ir ievērojama atšķirība starp tā sākotnējo un gala stāvokli. Šī dualitāte ļauj sarežģītu formas veidošanu (kad materiāls ir mīksts) un ārkārtēju veiktspēju (kad materiāls ir ciets).

Zemāk redzamajā tabulā salīdzinātas tipiskās mehāniskās īpašības standarta 22MnB5 markas pirms un pēc preses cietināšanas procesa:

Izturības robežas analīze: Izturības robeža procesa laikā parasti trīskāršojas. Kamēr sākotnējais materiāls uzvedas līdzīgi standarta strukturālajam tēraudam, gatavais komponents kļūst stingrs un pretojas deformācijai, tādējādi tas ir ideāli piemērots izmantošanai pretiekļuvuma drošības korpusos.

Cietība un apstrādājamība: Galīgā cietība 470–510 HV padara mehānisku apgriešanu vai perforēšanu ārkārtīgi grūtu un rada lielu instrumentu nodilumu. Tāpēc lielākā daļa apgriešanas operāciju uz gataviem PHS detaļām tiek veikta, izmantojot lāzera griešanu (skatīt SSAB tehniskie dati ) vai speciālas formas matriču griešanai tieši pirms detaļas pilnīgas atdzišanas.

Parastās PHS klases un ķīmiskais sastāvs

Kaut arī 22MnB5 joprojām ir nozares galvenais materiāls, patēriņa pieprasījums pēc vēl vieglākiem un stiprākiem komponentiem ir veicinājis vairāku tā modifikāciju izstrādi. Inženieri parasti izvēlas klases, pamatojoties uz līdzsvaru starp maksimālo izturību un nepieciešamo plastiskumu enerģijas absorbēšanai.

• PHS1500 (22MnB5): Standarta klase ar aptuveni 1500 MPa stiepes izturību. Tā satur aptuveni 0,22% oglekļa, 1,2% mangāna un pēdas daudzumu bora. Šis materiāls nodrošina līdzsvaru starp izturību un pietiekamu izturību pret sadalīšanos lielākajai daļai drošības pielietojumiem.
• PHS1800 / PHS2000: Jaunākas ultraaugstas izturības klases, kuru stiepes izturība sasniedz 1800 vai 2000 MPa. Šīs klases sasniedz augstāku izturību nedaudz palielinot oglekļa saturu vai modificējot sakausējumu (piemēram, silīciju/niobiju), taču tām var būt samazināta izturība pret sadalīšanos. Tās tiek izmantotas detaļās, kurās vienīgā prioritāte ir pretestība ielaušanās riskam, piemēram, buferjoslos vai jumta rāmjoslos.
• Plastiskās klases (PHS1000 / PHS1200): Tieši tāpat pazīstami kā presē cietējošie tērauļi (PQS), šie pakāpju veidi (piemēram, PQS450 vai PQS550) ir izstrādāti, lai saglabātu augstāku pagarinājumu (10–15%) pēc cietēšanas. Tos bieži izmanto B-stabiņa „mīkstajās zonās”, lai absorbētu sadursmes enerģiju, nevis to pārnestu.

Ķīmiskais sastāvs tiek stingri kontrolēts, lai novērstu problēmas, piemēram, ūdeņraža trauslumu, īpaši augstākas izturības pakāpēs. Ogļūdeņraža saturs parasti tiek turēts zem 0,30%, lai uzturētu pieļaujamu metināmību.

Pārklājumi un korozijas izturība

Nepārklāts tērauds strauji oksidējas, sildot līdz 900°C, veidojot cieta skalu, kas bojā žakšanas formas un pēc formēšanas prasa abrazīvu tīrīšanu (daļiņu apstrādi). Lai to izvairītos, lielākā daļa mūsdienu PHS pielietojumu izmanto priekšpārklātas plātnes.

Alumīnija-silīcijs (AlSi): Šis ir dominējošais pārklājums tiešajam karstās štampēšanas procesam. Tas novērš oksidēšanos sildīšanas laikā un nodrošina barjeras korozijas aizsardzību. AlSi slānis veido sakausējumu ar tērauda dzelzi sildīšanas fāzē, radot izturīgu virsmu, kas iztur formas slīdošo berzi. Atšķirībā no cinka tas nepiedāvā galvanisko (pašlabojošo) aizsardzību.

Cinka (Zn) pārklājumi: Cinka bāzes pārklājumi (cinkoti vai galvanizēti) nodrošina augstāku katodisko korozijas aizsardzību, kas ir vērtīga detaļām, kas pakļautas mitriem apstākļiem (piemēram, sānu apakšējiem paneļiem). Tomēr standarta karstās štampēšanas process var izraisīt Šķidrā metāla trauslumu (LME) , kad šķidrais cinks iekļūst tērauda graudu robežās, izraisot mikroplaisas. Cinka pārklāto PHS drošai apstrādei bieži nepieciešami specializēti „netiešie” procesi vai „priekšlaicīgas atdzesēšanas” tehnoloģijas.

Galvenie inženierijas priekšrocības

Preses cietināšanas tērauda īpašību ieviešanu ir veicinājušas konkrētas inženierijas problēmas transportlīdzekļu dizainā. Šis materiāls piedāvā risinājumus, ko aukstās deformēšanas zemā stipruma sakausējuma (HSLA) vai divfāžu (DP) tēraudi nevar atbilst.

• Ekstrēma viegls svars: Izmantojot stiprumu 1500 MPa vai augstāku, inženieri var samazināt detaļas biezumu (biezuma samazināšana), nekompromitējot drošību. Detaļa, kas reiz bija 2,0 mm bieza standarta tēraudā, var tikt samazināta līdz 1,2 mm PHS, ietaupot ievērojamu svaru.
• Gandrīz bez atgrieziena: Aukstās deformēšanas procesā augststiprīgie tēraudi pēc matricas atvēršanas parasti "atgriežas" sākotnējā formā, kas padara grūtu izmēru precizitāti. PHS formas karstā un mīkstā stāvoklī (austēnīts) un cietē, paliekot ierobežotam matricā. Tas fiksē ģeometriju noteiktā pozīcijā, rezultātā gandrīz pilnīgi izslēdzot atgriezenu un nodrošinot izcilu izmēru precizitāti.
• Sarežģītas ģeometrijas: Tā kā formas veidošana notiek, kamēr tērauds ir plastisks (~900°C), sarežģītas formas ar dziļiem izvilkumiem un šauriem rādiusiem var izveidot vienā gājienā — ģeometrijas, kas aukstam ultraaugstas izturības tēraudam būtu plaisu vai lūzumu riska zonā.

Tipiskas automašīnu lietošanas jomas

PHS ir materiāls, ko izvēlas mūsdienu transportlīdzekļu "drošības kamerai" — stingrai konstrukcijai, kuras mērķis ir aizsargāt pasažierus avārijas laikā, novēršot kabīnes deformāciju.

Kritiski sastāvdaļas

Standarta pielietojuma jomas ietver A-stožus, B-stožus, jumta sijas, tuneļa pastiprinājumus, sānu paneļus un durvju iebrukuma starpsienas . Pēdējā laikā ražotāji sākuši integrēt PHS arī bateriju korpusos elektriskajiem transportlīdzekļiem, lai aizsargātu moduļus no sānu triecieniem.

Pielāgotas īpašības

Jaunākās ražošanas tehnoloģijas ļauj realizēt "pielāgotu kalšanu", kur noteiktas vienas detaļas zonas (piemēram, B-staba apakšdaļa) tiek atdzesētas lēnāk, lai paliktu mīkstas un plastiskas, savukārt augšējā daļa kļūst pilnībā cietā. Šī kombinācija optimizē detaļu gan pretiešanai pret iebrukumiem, gan enerģijas absorbēšanai.

Ražotājiem, kuri vēlas ieviest šos jaunlaiku materiālus, ir būtiski sadarboties ar specializētiem izgatavotājiem. Uzņēmumi, piemēram, Shaoyi Metal Technology nodrošina visaptverošus automašīnu štampēšanas daļu risinājumus, kas spēj nodrošināt lielas tonnāžas prasības (līdz 600 tonnām) un precīzi pārvaldīt rīkojuma nepieciešamību sarežģītām automašīnu sastāvdaļām — no ātrā prototipēšanas līdz masveida ražošanai saskaņā ar IATF 16949 standartiem.

Secinājums

Preses cietināšanas tērauda īpašības atspoguļo būtisku sinerģiju starp metalurģiju un ražošanas procesu. Izmantojot fāžu pāreju no ferīta uz martensītu, inženieri iegūst materiālu, kas pietiekami veidojams sarežģītiem dizainiem, bet vienlaikus pietiekami izturīgs, lai aizsargātu dzīvības. Tā kā klases attīstās virzienā uz 2000 MPa un tālāk, PHS paliks par automašīnu drošības un vieglsvaru stratēģiju pamatu.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kāda ir atšķirība starp karstu štampēšanu un preses cietināšanu?

Nav atšķirības, šie termini tiek izmantoti savstarpēji mainīgi. "Sprieguma cietināšana" attiecas uz metāldziļināšanas procesu, kas notiek presē, bet "sildzes iespiedēšana" attiecas uz veidošanas metodi. Abi aprakstīja to pašu ražošanas secību, ko izmanto augstas izturības martensitiskās tērauda detaļu ražošanai.

2. Kāpēc boru pievieno presēšanas tēraudai?

Boru pievieno nelielos daudzumos (0,0020,005%) tā, lai ievērojami palielinātu tērauda cietību. Tas aizkavē mīkstu mikrostruktūru veidošanos, piemēram, ferītu un perlitītu, dzesēšanas laikā, nodrošinot, ka tērauds pārveidojas pilnībā cietā martensīta formā pat ar dzesēšanas ātrumu, ko sasniedz rūpnieciskajā iespiedēšanas formā.

3. Vai presē nostiprinātu tēraudu var sagriezt?

Jā, PHS ir savienojams ar metināšanu, taču tas prasa konkrētus parametrus. Tā kā materiālam parasti ir oglekļa saturs aptuveni 0,22%, tas ir saderīgs ar pretestības punktmetināšanu (RSW) un lāzermetināšanu. Tomēr metināšana nedaudz atvieglo Termiski ietekmēto zonu (HAZ), kas jāņem vērā dizainā. AlSi pārklātiem tēraudiem pārklājumu jānoņem (ar lāzerablatu) vai rūpīgi jāpārvalda metināšanas laikā, lai novērstu metinājuma vannas piesārņošanu.