STRESZCZENIE

The proces hartowania stali borowej (znanym również jako formowanie na gorąco) jest metodą termicznego kształtowania, która przekształca niskostopową stal borową — zazwyczaj 22MnB5 — ze struktury ferrytyczno-perlitycznej (~600 MPa) w pełną strukturę martenzytyczną (~1500 MPa). To przekształcenie osiąga się poprzez nagrzanie półfabrykatu do temperatur austenityzacji ( 900–950°C ) a następnie formowanie i szybkie schłodzenie w chłodzonej wodą matrycy z prędkościami przekraczającymi 27°C/s . Proces ten umożliwia produkcję złożonych, lekkich komponentów samochodowych o ultra wysokiej wytrzymałości i zerowym odkształceniu sprężystym, takich jak słupki B i belki dachowe.

Fizyka formowania na gorąco: metody bezpośrednia i pośrednia

Formowanie na gorąco nie jest procesem jednolitym; dzieli się je na dwie odrębne metody — Bezpośrednie i Pośrednie —określone przez moment, w którym następuje kształtowanie względem cyklu termicznego. Zrozumienie tej różnicy jest kluczowe dla inżynierów procesowych dobierających wyposażenie do konkretnych geometrii elementów.

Bezpośrednie hartowanie cieplne

Metoda bezpośrednia jest standardem branżowym dla większości elementów konstrukcyjnych ze względu na swoją wydajność. W tej kolejności płaską bryłę najpierw nagrzewa się w piecu do około 900–950°C w celu uzyskania jednorodnej struktury austenitycznej. Gorącą bryłę przekazuje się następnie szybko (zwykle w czasie poniżej 3 sekund) do prasy, gdzie jednocześnie kształtowana jest i gaszona w chłodzonym narzędziu. Ta metoda jest opłacalna, ale ograniczona jest podatnością materiału na kształtowanie w wysokich temperaturach; duże głębokości tłoczenia mogą prowadzić do cieniowania lub pękania.

Pośrednie hartowanie cieplne

W przypadku części o skrajnie złożonych kształtach, przekraczających granice możliwości kształtowania na gorąco stali, stosuje się metodę pośrednią. W tym przypadku bryła jest kształcana na zimno do kształtu bliskiego gotowemu wyrobowi (90–95% ukończony) przed ogrzaniem. Następnie wstępnie uformowaną część austenityzuje się w specjalnej piecu i przekazuje do prasy w celu końcowego kalibrowania i gaszenia. Choć pozwala to na tworzenie bardziej złożonych kształtów, znacząco wydłuża czas cyklu oraz zwiększa nakłady inwestycyjne ze względu na dodatkowy etap zimnego tłoczenia i konieczność stosowania trójwymiarowych systemów transportu do pieców.

Przemiana metalurgiczna: Przekształcenie stali 22MnB5 w martenzyt

Główna wartość hartowania cieplnego polega na przemianie faz mikrostrukturalnych stali 22MnB5 . W stanie dostawy ta stal stopowa z boronem wykazuje mikrostrukturę ferrytyczno-perlityczną o granicy plastyczności wynoszącej około 350–550 MPa oraz wytrzymałości na rozciąganie rzędu 600 MPa. Inżynieria procesu skupia się na manipulowaniu trzema kluczowymi zmiennymi w celu zmiany tej struktury.

1. Austenityzacja

Stal musi zostać nagrzana powyżej temperatury krytycznej górnej (Ac3), zazwyczaj około 850°C , choć wartości robocze często wahają się w przedziale 900°C do 950°C aby zapewnić pełną transformację. Podczas czasu wygrzewania (zazwyczaj 4–10 minut w zależności od grubości i typu pieca) węgiel wchodzi do roztworu stałego, tworząc austenit. Ta struktura centrowana ściennie (FCC) jest plastyczna, co pozwala na skomplikowane kształtowanie przy mniejszych siłach w porównaniu do tłoczenia na zimno.

2. Rola boru i szybkości chłodzenia

Bor dodaje się do stopu (0,002–0,005%) specjalnie w celu opóźnienia powstawania ferrytu i perlitu podczas chłodzenia. Ten pierwiastek zwiększający hartowność pozwala na ugaszenie stali w osiągalnym tempie — zazwyczaj >27°C/s (krytyczna szybkość chłodzenia) — aby ominąć nosek krzywej bainitu i przekształcić się bezpośrednio w martensit . Jeśli szybkość chłodzenia spadnie poniżej tego progu, powstają miększe fazy, takie jak bainit, co wpływa negatywnie na końcową wytrzymałość.

3. Rozwiązanie z powłoką Al-Si

W temperaturach powyżej 700°C stal niechroniona szybko utlenia się, tworząc twardą warstwę szkali, która uszkadza formy i wymaga późniejszego oczyszczania metodą piaskowania. Aby temu zapobiec, materiałami stosowanymi w przemyśle, takimi jak Usibor 1500P wykorzystuje się powłokę aluminiowo-krzemową (Al-Si) nanoszoną wcześniej. Podczas ogrzewania ta powłoka tworzy stop z podłożem, formując warstwę dyfuzyjną Fe-Al-Si, która zapobiega powstawaniu szkali i dekarburacji. To innowacyjne rozwiązanie eliminuje potrzebę stosowania ochronnych atmosfer piecowych oraz kolejnych etapów czyszczenia, upraszczając linię produkcyjną.

Linia Produkcyjna: Kluczowe Urządzenia i Parametry

Wdrożenie linii do hartowania na gorąco wymaga specjalistycznego sprzętu zdolnego do zarządzania ekstremalnymi gradientami termicznymi i wysokimi siłami tłoczenia. Inwestycja kapitałowa jest znaczna, często konieczne są strategiczne partnerstwa na potrzeby prototypowania i produkcji nadwyżkowej.

• Technologia Pieców: Piece rolkowe są standardem w przypadku bezpośredniego hartowania na gorąco o dużej wydajności. Muszą zapewniać jednolitość temperatury w zakresie ±5°C, aby zagwarantować spójne właściwości mechaniczne. W procesach pośrednich lub przy mniejszych objętościach mogą być stosowane piece komorowe. Całkowity czas przebywania zależy od grubości blanku i jest zazwyczaj obliczany jako t = (grubość × stała) + czas podstawowy , co najczęściej daje 4–6 minut dla typowych grubości.
• Prasy hydrauliczne i serwoprsy: W przeciwieństwie do tłoczenia na zimno, prasa musi utrzymywać tłok na końcu skoku, aby przytrzymać element przy chłodzonych powierzchniach matrycy. Hydrauliczny lub serwo-hydrauliczne prasy są preferowane ze względu na możliwość przyłożenia i utrzymania maksymalnego siłownictwa (często 800–1200 ton) przez wymagany czas gaszenia (5–10 sekund). Całkowity czas cyklu zwykle wynosi od 10 do 30 sekund.
• Oprzyrządowanie i kanały chłodzenia: Forma jest wymiennikiem ciepła. Musi ona zawierać skomplikowane kanały chłodzenia wewnętrzne (często wykonywane przez wiercenie lub druk 3D), przez które cyrkuluje woda przy dużych przepływach. Celem jest szybkie odprowadzanie ciepła, utrzymywanie temperatury powierzchni narzędzia poniżej 200°C, aby zapewnić skuteczne hartowanie.
• Obcinanie laserowe: Ponieważ gotowy element ma wytrzymałość na rozciąganie rzędu ~1500 MPa, tradycyjne mechaniczne matryce do obcinania ulegają zużyciu niemal natychmiast. Dlatego też toczenie laserowe (zwykle pięcioosiowe lasery światłowodowe) jest standardową metodą cięcia otworów i końcowych obwodów po formowaniu.

Dla producentów przechodzących od prototypowania do produkcji seryjnej, złożoność tego łańcucha urządzeń może stanowić barierę. Wykorzystanie Kompleksowe rozwiązania tłoczenia firmy Shaoyi Metal Technology może pokonać tę lukę. Ich możliwości, obejmujące precyzyjną pracę pod presją do 600 ton oraz zgodność ze standardami IATF 16949, zapewniają niezbędną infrastrukturę inżynieryjną do walidacji parametrów procesu i skalowania produkcji bez konieczności natychmiastowych dużych inwestycji kapitałowych.

Zaawansowane zastosowania: Dostosowane właściwości i miękkie strefy

Współczesne projekty bezpieczeństwa pojazdów często wymagają, aby pojedynczy komponent wykazywał podwójne właściwości: wysoką odporność na wtargnięcie (twarda) oraz wysoką pochłanianie energii (miękkie). Hartowanie umożliwia to poprzez Dostosowane właściwości .

Technologię Miękkich Stref

Poprzez kontrolowanie szybkości chłodzenia w określonych obszarach matrycy, inżynierowie mogą zapobiec przemianie martenzytycznej w lokalnych strefach. Na przykład słup B może wymagać całkowicie martenzytycznej górnej części (1500 MPa), aby chronić głowę pasażera, ale bardziej miękkiej, ciągliwej dolnej części (500–700 MPa), aby pochłaniać energię podczas uderzenia bocznego. Osiąga się to poprzez izolowanie określonych sekcji narzędzia lub stosowanie elementów grzejnych, aby utrzymać temperaturę matrycy powyżej temperatury początku martenzytu (Ms), umożliwiając zamiast tego tworzenie się bainitu lub ferrytu.

Spawane Blachy o Zróżnicowanym Profilu (TWBs)

Innym podejściem jest spawanie laserowe dwóch różnych gatunków stali lub grubości przed procesem ciepłego tłoczenia. Blacha może łączyć arkusz stali borowej z arkuszem stal HSLA o większej plastyczności. Podczas ciepłego tłoczenia strona ze stali borowej hartuje się, podczas gdy strona HSLA zachowuje plastyczność, tworząc element o różnych strefach wydajności bez konieczności stosowania złożonych systemów nagrzewania matryc.

Analiza strategiczna: zalety, wady i koszty

Decyzja o wdrożeniu ciepłego tłoczenia wiąże się ze złożonym kompromisem między wydajnością a kosztem. Poniższa analiza wskazuje kluczowe czynniki decyzyjne dla inżynierów samochodowych.