TL;DR

Dual Phase (DP)-staalsoorten zijn geavanceerde hogesterktestaalsoorten (AHSS) met een microstructuur van harde martensieteilandjes verspreid in een zachte ferrietmatrix. Deze unieke combinatie levert een laag vloeigrens-treksterkte-ratio (~0,6) en een hoge initiële verhardingsgraad (n-waarde), waardoor ze ideaal zijn voor complexe auto-onderdelen die zowel vormbaarheid als botsveiligheid vereisen. Succesvol ponsen vereist echter het beheersen van aanzienlijke terugvering en risico's op randbreuk. Ingenieurs moeten doorgaans de stansspeling verhogen tot 12–14% en stijvere gereedschappen gebruiken met geavanceerde coatings zoals TiC of CrN om hogere perskrachten en slijtage aan te kunnen.

Microstructuur en Mechanische Eigenschappen

De ingenieurswaarde van tweefasenstaal ligt in zijn duidelijke tweefasige microstructuur. In tegenstelling tot hoogsterkte-laaggelegeerd (HSLA) staal, dat afhankelijk is van uithardingsprecipitatie, ontleent DP-staal zijn eigenschappen aan een samengestelde structuur: een continue zachte ferrietmatrix die ductiliteit biedt, en verspreide harde martensieteilanden die sterkte leveren. Tijdens vervorming concentreert de rek zich in de zachtere ferrietfase rondom het martensiet, wat resulteert in een hoog initiële verhardingspercentage (n-waarde).

Deze microstructuur creëert een mechanisch gedrag dat specifiek is geoptimaliseerd voor koudvormen. Terwijl HSLA-kwaliteiten doorgaans een vloeisterkte-treksterkteverhouding (YS/TS) hebben van ongeveer 0,8, behouden DP-stalen een veel lagere verhouding van ongeveer 0,6. Dit lagere vloeipunt zorgt ervoor dat plastische vervorming eerder begint, waardoor complexe vormen kunnen worden gevormd voordat het materiaal zijn maximale treksterkte bereikt. De fabrikant merkt op dat deze hoge n-waarde bijzonder uitgesproken is bij lagere rektrajecten (4–6%), wat helpt de rek gelijkmatig te verdelen over het onderdeel en voorkomt dat er vroegtijdig plaatselijk vernauwen optreedt tijdens de persbewerking.

Veelvoorkomende commerciële kwaliteiten—zoals DP590, DP780 en DP980—worden gedefinieerd op basis van hun minimale treksterkte (in MPa). Naarmate het volumepercentage martensiet toeneemt, stijgt de treksterkte, maar neemt de ductiliteit natuurlijk af. Ingenieurs moeten een balans vinden tussen deze factoren, waarbij vaak wordt gekozen voor lagere martensietpercentages bij dieptrekonderdelen en hogere percentages bij structurele profielen waarbij anti-intrusieprestaties van doorslaggevend belang zijn.

Ponsuitdagingen: Veerkracht en randbreuk

Het kenmerk dat DP-staal zo gewenst maakt — zijn hoge verhardingssnelheid bij vervorming — introduceert ook het belangrijkste productiegebrek: veerkracht. Omdat het materiaal tijdens de vervorming snel verhardt, is de opgeslagen elastische herstelspanning in het onderdeel aanzienlijk hoger dan bij zacht staal. Dit uit zich in opkrullen van de zijwanden en hoekverandering nadat het onderdeel uit de mal is gehaald, wat de dimensionele nauwkeurigheid voor assemblage bemoeilijkt.

Om veerkracht te beperken, passen procesingenieurs verschillende strategieën toe bij het ontwerp van de mal. Over-kruinen van de malkoppervlakken stelt het materiaal in staat om in de juiste geometrie te ontspannen. Daarnaast kunnen wandprofielen of verstevigingen worden ontworpen om de geometrie vast te leggen. Een geavanceerdere techniek houdt in dat aan het einde van de persslag hoge rek wordt aangebracht om restdrukspanningen te verminderen, waardoor de vorm effectief "vastgezet" wordt.

Randbreuk is een andere kritieke foutmodus, met name tijdens stretch-flanging bewerkingen. Het verschil in hardheid tussen het zachte ferriet en het harde martensiet zorgt voor spanningconcentraties aan de geschaarde randen, wat leidt tot micro-voids die kunnen samensmelten tot scheuren. SSAB stelt voor gespecialiseerde "Dual Phase High Formability" (DH) kwaliteiten te gebruiken voor geometrieën die dieptrekken of uitgerekte randen vereisen. Deze AHSS-kwaliteiten van derde generatie gebruiken TRIP-geholpen microstructuren (met behouden austeniet) om de vormbaarheid op hogere rek niveaus te behouden, waardoor ze een superieure weerstand tegen randbreuk bieden in vergelijking met standaard DP-kwaliteiten.

Richtlijnen voor gereedschaps- en matrijzenontwerp

Het ponsen van Dual Phase-staal vereist een fundamentele heroverweging van de standaard gereedschapsparameters die worden gebruikt voor zacht staal of HSLA. De belangrijkste aanpassing betreft de matrijsopening. Standaard openingen van ongeveer 9% van de materiaaldikte leiden vaak tot ernstige randafsplitsing bij DP-stalen vanwege de hoge schuifsterkte van het materiaal.

Gegevens van Tata Steel laat zien dat het vergroten van de ponsopening naar 12–14%de kwaliteit van de snijkant aanzienlijk verbetert. In één case study daalde het percentage gespleten onderdelen van 22% naar bijna nul door de opening te verhogen van 9% naar 12%. Deze grotere spleet verandert de spanningstoestand aan de snijkant en vermindert de neiging van microscheurtjes om zich in de flens te verspreiden.

Slijtage van gereedschappen wordt ook versneld. De hoge contactdrukken die nodig zijn om DP-staal te vormen—vaak meer dan 600 ton voor structurele onderdelen—kunnen leiden tot galling en snelle slijtage van matrijzen. Gereedschapsstaal moet worden voorzien van harde, lage-wrijving oppervlaktebehandelingen zoals titaan-carbide (TiC) of chroomnitride (CrN) om de onderhoudsintervallen te verlengen. Bovendien moet de pers zelf voldoende stijfheid hebben om buiging onder deze hoge belastingen te voorkomen, wat anders de toleranties van de onderdelen zou schaden.

Voor fabrikanten die worden geconfronteerd met deze verhoogde eisen aan apparatuur, is samenwerken met een gespecialiseerde fabricagedienstverlener vaak het meest efficiënte traject. Shaoyi Metal Technology biedt uitgebreide stansoplossingen die de kloof overbruggen van prototyping naar massaproductie. Met perscapaciteiten tot 600 ton en IATF 16949-certificering, zijn ze uitgerust om te voldoen aan de strenge eisen qua tonnage en precisie van geavanceerde hoogwaardige staalsoorten zoals DP- en DH-kwaliteiten voor kritieke onderdelen zoals ophangarmen en subframes.

Afhärtung bij het bakkelen en uiteindelijke prestaties

Een van de verborgen voordelen van Dual Phase-staal is het zogeheten "bakharden" (BH). Dit fenomeen doet zich voor tijdens de lakverhardingscyclus in de auto-industrie, meestal rond de 170°C gedurende 20 minuten. Tijdens dit thermische proces diffunderen vrij carbon-atomen in de staalmicrostructuur en vergrendelen de dislocaties die zijn ontstaan tijdens het stansen.

Dit mechanisme zorgt voor een aanzienlijke toename van de vloeisterkte—meestal met 50 tot 100 MPa—zonder dat de afmetingen van het onderdeel worden beïnvloed. Deze statische sterkteverhoging stelt automobielingenieurs in staat om te "downgauge" (dunnere materialen te gebruiken) om het voertuiggewicht te verlagen, terwijl gewaarborgd blijft dat het eindproduct voldoet aan de crashveiligheidseisen. De combinatie van koudvervormingsverharding in de pershal en ovensverharding in de lakhal geeft het uiteindelijke onderdeel een uitzonderlijke energie-absorptiecapaciteit, waardoor DP-staal de standaardkeuze is voor veiligheidskooiconstructies zoals B-stijlen, daksporen en dwarsliggers.

Conclusie: Optimaliseren voor AHSS-productie

Dubbelfasestaal vormt een cruciaal evenwichtspunt in moderne automobieltechniek, waarbij de nodige sterkte voor naleving van veiligheidsvoorschriften wordt geboden en tegelijkertijd de ductiliteit die vereist is voor haalbare productie. Hoewel het materiaal duidelijke uitdagingen met zich meebrengt — met name op het gebied van veerkrachtafregeling en slijtage van gereedschappen — kunnen deze effectief worden overwonnen door gebruik te maken van gegevensgestuurde matrijzenontwerp en een geschikte persselectie. Door de unieke fysica van de ferriet-martensiet microstructuur serieus te nemen en parameters zoals stansafstand aan te passen aan het aanbevolen bereik van 12–14%, kunnen fabrikanten volledig profiteren van het gewichtsbesparende en prestatieverhogende potentieel van dit veelzijdige materiaal.

Veelgestelde Vragen

1. Hoe verschilt dubbelfasestaal van HSLA-staal?

Hoewel hoogsterkte laaggelegeerde (HSLA) staalsoorten afhankelijk zijn van microlegeringselementen voor neerslagverharding, zijn tweefasige (DP) staalsoorten gebaseerd op een tweefasig microstructuur van ferriet en martensiet. Dit geeft DP-staalsoorten een lagere vloeispanning-treksterkte-verhouding (~0,6 vergeleken met 0,8 voor HSLA) en een hogere initiële verhardingssnelheid bij vervorming, waardoor een betere vervormbaarheid wordt bereikt bij gelijkwaardige treksterktes.

2. Wat is de aanbevolen stansspeling voor het ponsen van DP-staal?

Standaard stansspelingen die worden gebruikt voor zacht staal (ongeveer 9%) zijn doorgaans te klein voor DP-staal en kunnen leiden tot scheuren langs de snijrand. De beste praktijken in de industrie bevelen aan de stansspeling te verhogen naar 12–14%van de materiaaldikte om de kwaliteit van de snijrand en de levensduur van de gereedschappen te verbeteren.

3. Wat veroorzaakt veerkracht bij tweefasig staal?

Veerkracht wordt veroorzaakt door de hoge elastische herstelcapaciteit van het materiaal na het vormgeven. De hoge verhardingssnelheid bij koudvervorming van DP-staal betekent dat er aanzienlijke elastische energie wordt opgeslagen tijdens vervorming. Wanneer de mal opengaat, wordt deze energie vrijgelaten, waardoor het onderdeel terugveert of opkrult. Dit moet worden gecompenseerd door overcorrectie (over-crowning) of opnieuw inslaan in het malontwerp.

4. Kan Dual Phase-staal gelast worden?

Ja, DP-stalen hebben over het algemeen een goede lasbaarheid, maar de specifieke koolstofequivalentwaarde dient in acht genomen te worden. Hoewel lagere sterktegraden (DP590) gemakkelijk kunnen worden puntgelast, kunnen hogere sterktegraden (DP980 en hoger) aanpassingen van lastoepassingsparameters vereisen, zoals verhoogde elektrodeforce of specifieke pulsschema's, om brosse breuken in de warmtebeïnvloede zone van de las te voorkomen.