Sifat Keluli Kerasan Tekanan: Panduan Teknikal untuk Kekuatan & Kemudahan Bentuk

RINGKASAN

Keluli Pengerasan Tekanan (PHS), juga dikenali sebagai keluli penempa panas atau keluli boron, adalah aloi kekuatan ultra-tinggi (kebiasaannya 22MnB5) yang direka untuk komponen keselamatan kenderaan. Ia dibekalkan dalam keadaan feritik-perlitik yang mulur (kekuatan alah ~300–600 MPa) tetapi berubah menjadi struktur martensitik yang sangat keras (kekuatan tegangan 1300–2000 MPa) selepas dipanaskan hingga ~900°C dan disejukkan secara pantas dalam acuan berpendingin. Proses ini menghilangkan kesan lenturan balik, membolehkan geometri yang kompleks, dan memungkinkan pengurangan berat yang ketara dalam struktur pelanggaran penting seperti tiang A dan bumper.

Apakah Itu Keluli Pengerasan Tekanan (PHS)?

Keluli pengerasan tekan (PHS), yang kerap dirujuk dalam industri automotif sebagai keluli templat panas atau keluli terbentuk panas, mewakili kategori keluli aloi boron yang mengalami proses pembentukan termal dan mekanikal khas. Berbeza dengan keluli templat sejuk konvensional yang dibentuk pada suhu bilik, PHS dipanaskan sehingga mencapai keadaan austenitik dan kemudian dibentuk serta ditemperkan secara serentak di dalam alat berpendingin.

Gred piawai untuk proses ini ialah 22MnB5 , satu aloi karbon-mangan-boron. Penambahan boron (biasanya 0.002–0.005%) adalah kritikal kerana ia meningkatkan keteguhan pengerasan keluli secara mendadak, memastikan struktur mikro sepenuhnya martensit dapat dicapai walaupun pada kadar penyejukan sederhana. Tanpa boron, bahan tersebut mungkin berubah kepada fasa yang lebih lembut seperti bainit atau pearlit semasa fasa penempelan, gagal mencapai kekuatan sasaran.

Transformasi asas yang memberikan nilai kepada PHS adalah dari segi mikrostruktur. Dihantar sebagai kepingan feritik-perlitik yang lembut, bahan ini mudah dipotong dan dikendalikan. Semasa proses penempaan panas, bahan ini dipanaskan melebihi suhu austenitisasinya (biasanya sekitar 900–950°C). Apabila lekapan panas ini dicengkam dalam acuan, ia disejukkan dengan cepat (pada kadar melebihi 27°C/s). Penyejukan pantas ini mengelakkan pembentukan mikrostruktur yang lebih lembut dan menukarkan austenit secara langsung kepada martensit , bentuk struktur keluli yang paling keras.

Ciri-ciri Mekanikal: Keadaan Diterima vs. Keadaan Keras

Bagi jurutera dan pakar perolehan, aspek paling penting mengenai ciri-ciri keluli penempaan ialah perbezaan ketara antara keadaan awal dan keadaan akhir bahan tersebut. Dualiti ini membolehkan pembentukan kompleks (apabila lembut) dan prestasi yang sangat tinggi (apabila keras).

Jadual di bawah membandingkan ciri-ciri mekanikal tipikal gred 22MnB5 piawai sebelum dan selepas proses penempaan tekan:

Analisis Kekuatan Alah: Kekuatan alah biasanya meningkat tiga kali ganda semasa proses tersebut. Walaupun bahan dalam keadaan penghantaran berkelakuan seperti keluli struktur piawaian, komponen siap menjadi tegar dan rintang terhadap ubah bentuk, menjadikannya sesuai untuk sangkar keselamatan anti-rembusan.

Kekerasan dan Kemudahan Mesin: Kekerasan akhir 470–510 HV menyebabkan operasi pemotongan atau penembusan mekanikal sangat sukar dan mudah menyebabkan kehausan alat. Oleh itu, kebanyakan operasi pemotongan pada komponen PHS dilakukan menggunakan pemotongan laser (lihat Data teknikal SSAB ) atau acuan pemotongan khas sejurus sebelum komponen sepenuhnya sejuk.

Gred PHS Lazim dan Komposisi Kimia

Walaupun 22MnB5 kekal sebagai gred utama industri, permintaan untuk komponen yang lebih ringan dan lebih kuat telah mendorong pembangunan beberapa varian. Jurutera biasanya memilih gred berdasarkan keseimbangan antara kekuatan puncak dan kekenyalan yang diperlukan untuk penyerapan tenaga.

• PHS1500 (22MnB5): Gred piawai dengan kekuatan tegangan sekitar 1500 MPa. Mengandungi kira-kira 0.22% Karbon, 1.2% Mangan, dan sedikit Boron. Ia menyeimbangkan kekuatan dengan ketahanan yang mencukupi untuk kebanyakan aplikasi keselamatan.
• PHS1800 / PHS2000: Gred kekuatan ultra-tinggi yang baharu yang meningkatkan kekuatan tegangan sehingga 1800 atau 2000 MPa. Gred ini mencapai kekuatan lebih tinggi melalui kandungan karbon yang sedikit ditingkatkan atau pengubahsuaian aloi (contohnya, Silikon/Niobium) tetapi mungkin mempunyai ketahanan yang berkurang. Ia digunakan untuk komponen di mana rintangan terhadap kemasukan adalah keutamaan utama, seperti acuan bumper atau palang bumbung.
• Gred Mulur (PHS1000 / PHS1200): Juga dikenali sebagai Keluli Tekanan-Dipadamkan (PQS), gred-gred ini (seperti PQS450 atau PQS550) direka bentuk untuk mengekalkan pemanjangan yang lebih tinggi (10–15%) selepas mengeras. Ia kerap digunakan dalam 'zon lembut' tiang B untuk menyerap tenaga pelanggaran daripada memindahkannya.

Komposisi kimia dikawal secara ketat untuk mengelakkan masalah seperti kehampaan hidrogen, terutamanya dalam gred kekuatan yang lebih tinggi. Kandungan karbon biasanya dikekalkan di bawah 0.30% untuk mengekalkan kemampuan kimpalan yang munasabah.

Salutan dan Rintangan Kakisan

Keluli tanpa salutan mengoksidasi dengan cepat apabila dipanaskan hingga 900°C, membentuk lapisan keras yang merosakkan acuan penempaan dan memerlukan pembersihan abrasif (semburan pasir) selepas pembentukan. Untuk mengelakkannya, kebanyakan aplikasi PHS moden menggunakan kepingan pra-bersalut.

Aluminium-Silikon (AlSi): Ini adalah salutan utama untuk penempaan panas langsung. Ia menghalang pengkristalan semasa pemanasan dan memberikan perlindungan kakisan jenis penghalang. Lapisan AlSi membentuk aloi dengan besi keluli semasa fasa pemanasan, mencipta permukaan kukuh yang tahan terhadap geseran gelangsar acuan. Tidak seperti Zink, ia tidak memberikan perlindungan galvanik (penyembuhan sendiri).

Salutan Zink (Zn): Lapisan berasaskan zink (Galvanized atau Galvannealed) memberikan perlindungan kakisan katodik yang unggul, yang bernilai untuk komponen yang terdedah kepada persekitaran lembap (seperti rocker). Walau bagaimanapun, penempaan panas piawai boleh menyebabkan Kerejahtelangan Logam Cecair (LME) , di mana zink cecair menembusi sempadan butir keluli dan menyebabkan retakan mikro. Proses khas jenis "tidak langsung" atau teknik "penyejukan awal" biasanya diperlukan untuk menguruskan PHS bersalut zink dengan selamat.

Kelebihan Kejuruteraan Utama

Penggunaan sifat keluli penempaan telah dipacu oleh cabaran kejuruteraan tertentu dalam reka bentuk kenderaan. Bahan ini memberikan penyelesaian yang tidak dapat ditandingi oleh keluli Aloj Kekuatan Tinggi berpancur sejuk (HSLA) atau keluli Fasa Kembar (DP).

• Penjimatan Berat Maksimum: Dengan menggunakan kekuatan 1500 MPa atau lebih tinggi, jurutera boleh mengurangkan ketebalan komponen (pengurangan ketebalan) tanpa mengorbankan keselamatan. Komponen yang sebelum ini setebal 2.0mm dalam keluli piawai mungkin dikurangkan kepada 1.2mm dalam PHS, menjimatkan berat yang ketara.
• Tiada Lendutan Balik: Dalam peninjuan sejuk, keluli berkekuatan tinggi cenderung untuk 'melenting kembali' ke bentuk asal selepas acuan dibuka, menyebabkan ketepatan dimensi sukar dicapai. PHS terbentuk semasa panas dan lembut (austenite) dan mengeras sementara dikurung dalam acuan. Ini mengunci geometri pada tempatnya, menghasilkan lenting balik hampir sifar dan ketepatan dimensi yang luar biasa.
• Geometri Kompleks: Memandangkan pembentukan berlaku apabila keluli adalah mulur (~900°C), bentuk rumit dengan tarikan dalam dan jejari ketat boleh dibentuk dalam satu hentaman sahaja—geometri yang akan pecah atau retak jika dicuba dengan keluli ultra tinggi kekuatan sejuk.

Aplikasi Automotif Biasa

PHS merupakan bahan pilihan untuk 'kotak keselamatan' kenderaan moden—struktur tegar yang direka untuk melindungi penghuni semasa perlanggaran dengan mencegah kemasukan ke dalam kabin.

Komponen paling kritikal

Aplikasi piawai termasuk Tiang A, tiang B, palang bumbung, pengukuhan terowong, panel rocker, dan rasuk kemasukan pintu . Kini, pengilang mula mengintegrasikan PHS ke dalam enklosur bateri kenderaan elektrik untuk melindungi modul daripada hentaman sisi.

Sifat Disesuaikan

Pembuatan maju membolehkan "Penempaan Tersuai", di mana zon tertentu pada satu komponen (seperti bahagian bawah tiang B) disejukkan lebih perlahan supaya kekal lembut dan mulur, manakala bahagian atas menjadi sepenuhnya keras. Gabungan ini mengoptimumkan komponen tersebut untuk menahan kemasukan serta menyerap tenaga.

Bagi pengilang yang ingin melaksanakan bahan-bahan maju ini, perkongsian dengan pembekal khusus adalah penting. Syarikat seperti Shaoyi Metal Technology menawarkan penyelesaian komprehensif untuk komponen stamping automotif, mampu mengendalikan keperluan berat tinggi (sehingga 600 tan) dan mengurus keperluan perkakasan tepat bagi komponen automotif yang kompleks, daripada prototaip pantas hingga pengeluaran besar-besaran mengikut piawaian IATF 16949.

Kesimpulan

Sifat keluli pengerasan akibat tekanan mewakili sinergi penting antara metalurgi dan proses pembuatan. Dengan memanfaatkan perubahan fasa dari ferit kepada martensit, jurutera dapat menghasilkan bahan yang cukup boleh dibentuk untuk rekabentuk kompleks tetapi cukup kuat untuk melindungi nyawa. Apabila gred berkembang ke arah 2000 MPa dan ke atas, PHS akan terus menjadi tunjang strategi keselamatan dan penjimatan berat dalam industri automotif.

Soalan Lazim

1. Apakah perbezaan antara penempaan panas dan pengerasan akibat tekanan?

Tiada perbezaan; istilah ini digunakan secara bergantian. 'Pengerasan akibat tekanan' merujuk kepada proses pengerasan metalurgi yang berlaku di dalam acuan, manakala 'penempaan panas' merujuk kepada kaedah pembentukan. Kedua-duanya menerangkan urutan pembuatan yang sama yang digunakan untuk menghasilkan komponen keluli martensitik berkekuatan tinggi.

2. Mengapakah boron ditambahkan kepada keluli pengerasan akibat tekanan?

Boron ditambah dalam jumlah kecil (0.002–0.005%) untuk meningkatkan ketahanan pengerasan keluli secara ketara. Ia melambatkan pembentukan struktur mikro yang lebih lembut seperti ferit dan pearlit semasa penyejukan, memastikan keluli berubah menjadi martensit sepenuhnya walaupun pada kadar penyejukan yang dicapai dalam acuan penempaan industri.

3. Bolehkah keluli tekan keras dilas?

Ya, PHS boleh dilas, tetapi memerlukan parameter tertentu. Memandangkan bahan ini biasanya mempunyai kandungan karbon sekitar 0.22%, ia sesuai dengan pengelasan tompok rintangan (RSW) dan pengelasan laser. Walau bagaimanapun, proses pengelasan sedikit melembutkan Zon Terjejas Haba (HAZ), yang perlu diambil kira dalam rekabentuk. Untuk keluli bersalut AlSi, salutan tersebut mesti dikeluarkan (melalui ablasi laser) atau dikendalikan dengan teliti semasa pengelasan bagi mengelakkan pencemaran kolam las.