Eigenschappen van persveredelingsstaal: technische gids voor sterkte en vervormbaarheid

TL;DR

Pressveredelingsstaal (PVS), ook bekend als warmgestanst of boorstaal, is een ultrahoogsterkte legering (meestal 22MnB5) die is ontworpen voor veiligheidscomponenten in de automobielindustrie. Het wordt geleverd in een vervormbare ferriet-perlietstructuur (vloeisterkte ~300–600 MPa), maar verandert in een uitzonderlijk harde martensitische structuur (treksterkte 1300–2000 MPa) nadat het tot ~900°C is verhit en geslagen in een gekoelde matrijs. Dit proces elimineert veereffecten, maakt complexe geometrieën mogelijk en stelt gewichtsreductie in cruciale botsconstructies zoals A-stijlen en bumpers mogelijk.

Wat is pressveredelingsstaal (PVS)?

Pressveredelingsstaal (PHS), vaak aangeduid in de automobielindustrie als warmgestanst staal of warmgevormd staal, vertegenwoordigt een categorie boor-gelegeerde stalen die een gespecialiseerd thermisch en mechanisch vormproces ondergaan. In tegenstelling tot conventionele koudgestanste stalen die bij kamertemperatuur worden gevormd, wordt PHS verhit totdat het een austenitische toestand bereikt en vervolgens tegelijkertijd gevormd en gekoeld binnen een gekoeld gereedschap.

De standaardkwaliteit voor dit proces is 22MnB5 , een koolstof-mangaan-boorlegering. De toevoeging van boor (meestal 0,002–0,005%) is cruciaal omdat het de veredelbaarheid van het staal sterk verbetert, waardoor een volledig martensitische microstructuur kan worden bereikt, zelfs bij matige koelsnelheden. Zonder boor zou het materiaal tijdens de afkoelfase kunnen transformeren naar zachtere fasen zoals bainiet of perliet, waardoor de beoogde sterkte niet wordt bereikt.

De fundamentele transformatie die PHS zijn waarde geeft, is microstructuur-gerelateerd. Het materiaal wordt geleverd als een zacht ferriet-perliet blad, wat gemakkelijk te snijden en te hanteren is. Tijdens het warmverdwarmingsproces wordt het verhit boven de austenitisatietemperatuur (meestal rond de 900–950°C). Wanneer de hete grondplaat in de matrijs wordt vastgeklemd, wordt deze snel afgekoeld (met koelsnelheden van meer dan 27°C/s). Deze snelle afkoeling voorkomt de vorming van zachtere microstructuren en zorgt ervoor dat de austeniet direct omgezet wordt naar martensiet martensiet, de hardste vorm van staalstructuur.

Mechanische eigenschappen: Geleverde toestand versus gehard

Voor ingenieurs en inkoopspecialisten is het belangrijkste aspect van de eigenschappen van persverhardend staal het dramatische verschil tussen de beginsituatie en de eindsituatie. Deze dualiteit maakt complex vormgeven (wanneer zacht) en uitzonderlijke prestaties (wanneer hard) mogelijk.

De onderstaande tabel vergelijkt de typische mechanische eigenschappen van de standaard 22MnB5-kwaliteit voor en na het persverhardingsproces:

Gledesterkte-analyse: De gledesterkte verdrievoudigt zich meestal tijdens het proces. Terwijl het materiaal in geleverde toestand vergelijkbaar gedraagt als standaard constructiestaal, wordt het afgewerkte onderdeel stijf en bestand tegen vervorming, waardoor het ideaal is voor anti-inbraak veiligheidskooien.

Hardheid en bewerkbaarheid: De uiteindelijke hardheid van 470–510 HV maakt mechanisch bijsnijden of ponsen uiterst moeilijk en vatbaar voor slijtage van gereedschap. Daarom worden de meeste bijsnijbewerkingen op afgewerkte PHS-onderdelen uitgevoerd met lasersnijden (zie Technische gegevens SSAB ) of met gespecialiseerde matrijzen voor hardbijsnijden onmiddellijk voordat het onderdeel volledig afkoelt.

Veelgebruikte PHS-kwaliteiten en chemische samenstelling

Hoewel 22MnB5 nog steeds het meest gebruikte type in de industrie is, heeft de vraag naar lichtere en sterkere onderdelen geleid tot de ontwikkeling van diverse varianten. Ingenieurs kiezen doorgaans kwaliteiten op basis van de balans tussen maximale sterkte en de benodigde ductiliteit voor energieabsorptie.

• PHS1500 (22MnB5): De standaardkwaliteit met een treksterkte van ongeveer 1500 MPa. Bevat circa 0,22% koolstof, 1,2% mangaan en sporen boor. Biedt een evenwicht tussen sterkte en voldoende taaiheid voor de meeste veiligheidstoepassingen.
• PHS1800 / PHS2000: Nieuwere ultra-hoogsterkte kwaliteiten die de treksterkte opdrijven tot 1800 of 2000 MPa. Deze bereiken hogere sterkte door licht verhoogde koolstofinhoud of aangepaste legering (bijvoorbeeld silicium/niobium), maar kunnen een verminderde taaiheid hebben. Ze worden gebruikt voor onderdelen waar weerstand tegen indringing de enige prioriteit is, zoals bumperbalken of dakspanten.
• Staafkwaliteiten (PHS1000 / PHS1200): Ook bekend als persgehard staal (PQS), deze kwaliteiten (zoals PQS450 of PQS550) zijn ontworpen om een hogere rek (10–15%) te behouden na het harden. Ze worden vaak gebruikt in "zachte zones" van een B-stijl om botsingsenergie op te nemen in plaats van over te brengen.

De chemische samenstelling wordt strikt gecontroleerd om problemen zoals waterstofbrosheid te voorkomen, met name bij de hogere sterktegraden. Het koolstofgehalte wordt over het algemeen onder de 0,30% gehouden om een redelijke lasbaarheid te behouden.

Coatings en corrosieweerstand

Ongecoate staal oxideert snel wanneer het tot 900 °C wordt verhit, waarbij een harde laag ontstaat die stansmatrijzen kan beschadigen en na vorming abrasief moet worden gereinigd (stralen). Om dit te voorkomen, worden bij de meeste moderne PHS-toepassingen vooraf gecoate platen gebruikt.

Aluminium-Silicium (AlSi): Dit is de dominante coating voor direct warmstempelen. Het voorkomt verkalking tijdens het verwarmen en biedt barrièrecorrosiebescherming. De AlSi-laag vormt tijdens de verwarmingsfase een legering met het staalijzer, waardoor een robuuste oppervlakte ontstaat die de glijwrijving van de matrijs weerstaat. In tegenstelling tot zink biedt het geen galvanische (zelfherstellende) bescherming.

Zink (Zn) Coatings: Zinkgebaseerde coatings (gegalvaniseerd of galvannealed) bieden superieure cathodische corrosiebescherming, wat waardevol is voor onderdelen die blootstaan aan vochtige omgevingen (zoals rockerpanelen). Echter, standaard warmstempelen kan Vloeibaar metaalverbrokkeling (LME) veroorzaken, waarbij vloeibaar zink doordringt in de korrelgrenzen van staal en microscheurtjes veroorzaakt. Gespecialiseerde 'indirecte' processen of 'voorafkoel'-technieken zijn vaak vereist om gecoat PHS veilig te verwerken.

Belangrijke technische voordelen

De toepassing van press hardening staalkwaliteiten is gedreven door specifieke technische uitdagingen in voertuigontwerp. Het materiaal biedt oplossingen die koudgestempelde hoogsterktestalen met laag gelegeerden (HSLA) of Dual-Phase (DP)-stalen niet kunnen evenaren.

• Extreme verlichting: Door sterktes van 1500 MPa of hoger te gebruiken, kunnen ingenieurs de wanddikte verminderen (downgauging) zonder de veiligheid te compromitteren. Een onderdeel dat ooit 2,0 mm dik was in standaardstaal kan worden teruggebracht tot 1,2 mm in PHS, wat aanzienlijk gewicht bespaart.
• Geen veervering: Bij koud stampen hebben hoge-sterkte staalsoorten de neiging om na het openen van de matrijs terug te veeren naar hun oorspronkelijke vorm, waardoor dimensionele nauwkeurigheid moeilijk te behalen is. PHS wordt gevormd terwijl het heet en zacht is (austeniet) en hardt uit terwijl het in de matrijs wordt vastgehouden. Dit zorgt ervoor dat de geometrie op zijn plaats blijft zitten, wat vrijwel geen terugvering en uitzonderlijke dimensionele precisie oplevert.
• Complexe vormen: Omdat de vorming plaatsvindt wanneer het staal mallabel is (~900°C), kunnen ingewikkelde vormen met diepe trekken en strakke hoeken in één slag worden gevormd — geometrieën die zouden scheuren of breken als ze geprobeerd zouden worden met koud ultrahoogsterkte staal.

Typische auto-applicaties

PHS is het materiaal van keuze voor de 'veiligheidskooi' van moderne voertuigen — de stijve constructie die ontworpen is om inzittenden te beschermen tijdens een botsing door binnendringen van de cabine te voorkomen.

Kritieke componenten

Standaardtoepassingen zijn A-stijlen, B-stijlen, daksporen, tunnelverstevigingen, rockerpanelen en portier-intrusiestaven . Recentelijk zijn fabrikanten begonnen met het integreren van PHS in accu-behuizingen voor elektrische voertuigen om de modules te beschermen tegen zijdelingse inslagen.

Aangepaste eigenschappen

Geavanceerde productie maakt "Gedoseerd Afgloeien" mogelijk, waarbij specifieke zones van een onderdeel (zoals de onderkant van een B-stijl) langzamer worden afgekoeld om zacht en ductiel te blijven, terwijl het bovenste gedeelte volledig hard wordt. Deze combinatie optimaliseert het onderdeel voor zowel het weerstaan van indringing als het absorberen van energie.

Voor fabrikanten die deze geavanceerde materialen willen implementeren, is samenwerken met gespecialiseerde fabricagebedrijven essentieel. Bedrijven zoals Shaoyi Metal Technology bieden uitgebreide oplossingen voor autostansonderdelen, in staat om aan hoge tonnage-eisen (tot 600 ton) te voldoen en de nauwkeurige gereedschapsbehoeften te beheren voor complexe auto-onderdelen, van snel prototypen tot massaproductie volgens IATF 16949-normen.

Conclusie

De eigenschappen van warmverstevigend staal vertegenwoordigen een cruciale synergie tussen metallurgie en productieproces. Door gebruik te maken van de faseovergang van ferriet naar martensiet, realiseren ingenieurs een materiaal dat vormbaar genoeg is voor complexe ontwerpen, maar tegelijkertijd sterk genoeg om levens te beschermen. Naarmate de kwaliteiten zich ontwikkelen richting 2000 MPa en hoger, zal PHS een hoeksteen blijven van automobiele veiligheids- en verlichtingsstrategieën.

Veelgestelde Vragen

1. Wat is het verschil tussen warmvervormen en pressharding?

Er is geen verschil; de termen worden door elkaar gebruikt. "Pressharding" verwijst naar het metallurgische verstevigingsproces dat in de pers plaatsvindt, terwijl "warmvervormen" verwijst naar de vormgevingsmethode. Beide beschrijven dezelfde productiereeks die wordt gebruikt om onderdelen van hoogsterkte martensitisch staal te produceren.

2. Waarom wordt boor toegevoegd aan presshardend staal?

Boor wordt in kleine hoeveelheden (0,002–0,005%) toegevoegd om de hardbaarheid van staal aanzienlijk te verhogen. Het vertraagt de vorming van zachtere microstructuren zoals ferriet en perliet tijdens het afkoelen, zodat het staal volledig overgaat in hard martensiet, zelfs bij de koelsnelheden die worden gehaald in industriële stansmatrijzen.

3. Kan gepresshaard staal gelast worden?

Ja, PHS is lastbaar, maar daarvoor zijn specifieke parameters vereist. Aangezien het materiaal doorgaans een koolstofgehalte heeft van ongeveer 0,22%, is het geschikt voor weerstandspuntlassen (RSW) en laserlassen. Bij het lassen wordt de Warmtebeïnvloede Zone (HAZ) echter licht verzwakt, wat in het ontwerp in aanmerking genomen moet worden. Bij AlSi-gecoate stalen moet de coating verwijderd worden (via laserablatie) of zorgvuldig beheerd worden tijdens het lassen om vervuiling van de lasbad te voorkomen.