Właściwości stali do hartowania pod tłokiem: Przewodnik techniczny dotyczący wytrzymałości i formowalności

STRESZCZENIE

Stal do hartowania tłokowego (PHS), znana również jako stal hartowana na gorąco lub stal borowa, to ultra-wysokowytrzymały stop (zazwyczaj 22MnB5) przeznaczony do elementów bezpieczeństwa pojazdów. Dostarczana jest w plastycznym stanie ferrytyczno-perlitycznym (granica plastyczności ~300–600 MPa), ale po nagrzaniu do ~900°C i wygrzaniu w chłodzonej matrycy przekształca się w wyjątkowo twardą strukturę martenzytyczną (wytrzymałość na rozciąganie 1300–2000 MPa). Ten proces eliminuje odbijanie sprężyste, umożliwia tworzenie złożonych geometrii oraz znaczące zmniejszenie masy w krytycznych elementach konstrukcji odpornych na zderzenia, takich jak słupy A i zderzaki.

Czym jest stal do hartowania tłokowego (PHS)?

Stal hartowana pod ciśnieniem (PHS), często nazywana w przemyśle motoryzacyjnym stalą gorąco tłoczoną lub stalą gorąco formowaną, to kategoria stali borowych, które przechodzą specjalny proces termomechanicznego formowania. W przeciwieństwie do konwencjonalnych stali zimnotłoczonych, kształtowanych w temperaturze pokojowej, PHS jest nagrzewana aż do osiągnięcia stanu ferrytycznego, a następnie formowana i gaszona jednocześnie w chłodzonym narzędziu.

Standardowym gatunkiem dla tego procesu jest 22MnB5 , stop węgla, manganu i boru. Dodatek boru (zazwyczaj 0,002–0,005%) ma kluczowe znaczenie, ponieważ znacząco poprawia zdolność do hartowania stali, zapewniając powstanie całkowitej mikrostruktury martenzytycznej nawet przy umiarkowanych szybkościach chłodzenia. Bez boru materiał mógłby przekształcić się w miększe fazy, takie jak bainit czy perlit, podczas etapu gaszenia, nie osiągając docelowej wytrzymałości.

Podstawowa transformacja, która nadaje blachom PHS ich wartość, ma charakter mikrostrukturalny. Dostarczane w postaci miękkiej blachy ferrytyczno-perlitowej, materiał jest łatwy do cięcia i obróbki. Podczas procesu hartowania na gorąco jest on ogrzewany powyżej temperatury austenityzacji (zazwyczaj około 900–950°C). Gdy rozgrzany półprodukt jest zamocowany w matrycy, następuje jego szybkie schłodzenie (w tempie przekraczającym 27°C/s). Tak szybkie chłodzenie uniemożliwia powstanie miększych mikrostruktur i przekształca austenit bezpośrednio w martensit , najtwardszą formę struktury stali.

Właściwości mechaniczne: Stan dostawy vs. Stan uhartowany

Dla inżynierów i specjalistów ds. zakupów najważniejszym aspektem właściwości stali hartowanej na gorąco jest znacząca różnica między jej stanem początkowym a końcowym. Ta dualność pozwala na wykonywanie złożonych kształtów (gdy materiał jest miękki) oraz osiągnięcie ekstremalnej wydajności (gdy jest twardy).

Poniższa tabela porównuje typowe właściwości mechaniczne standardowego gatunku 22MnB5 przed i po procesie hartowania tłokowego:

Analiza granicy plastyczności: Granica plastyczności zazwyczaj potrzenieja się w trakcie procesu. Podczas gdy materiał w stanie dostawy zachowuje się podobnie jak standardowa stal konstrukcyjna, gotowy element staje się sztywny i odporny na odkształcenia, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla klatek bezpieczeństwa chroniących przed wtargnięciem.

Twardość i obrabialność: Ostateczna twardość 470–510 HV sprawia, że mechaniczne przycinanie lub przebijanie jest bardzo trudne i narażone na zużycie narzędzi. W związku z tym większość operacji przycinania gotowych części PHS wykonuje się za pomocą cięcia laserowego (patrz Dane techniczne SSAB ) lub specjalistycznych mat do przycinania twardego bezpośrednio przed całkowitym ostygnięciem części.

Typowe gatunki PHS i skład chemiczny

Chociaż 22MnB5 pozostaje podstawowym gatunkiem przemysłowym, zapotrzebowanie na jeszcze lżejsze i wytrzymalsze komponenty doprowadziło do opracowania kilku wariantów. Inżynierowie zazwyczaj dobierają gatunki w zależności od równowagi między maksymalną wytrzymałością a niezbędną ciągliwością umożliwiającą pochłanianie energii.

• PHS1500 (22MnB5): Standardowa gatunek o wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej ok. 1500 MPa. Zawiera około 0,22% węgla, 1,2% manganu oraz śladowe ilości boru. Łączy wysoką wytrzymałość z wystarczającą odpornością uderzeniową dla większości zastosowań bezpieczeństwa.
• PHS1800 / PHS2000: Nowsze gatunki o ultra wysokiej wytrzymałości, które zwiększają wytrzymałość na rozciąganie do 1800 lub 2000 MPa. Osiągają one większą wytrzymałość dzięki nieco wyższej zawartości węgla lub zmodyfikowanym stopom (np. krzem/niob). Mogą jednak charakteryzować się mniejszą ciągliwością. Stosowane są w elementach, gdzie priorytetem jest wyłącznie odporność na wtargnięcie, takich jak belki zderzaków czy listwy dachowe.
• Gatunki ciągliwe (PHS1000 / PHS1200): Znane również jako stali do gaszenia pod tłokiem (PQS), te gatunki (np. PQS450 lub PQS550) zostały zaprojektowane tak, aby zachować wyższą wydłużalność (10–15%) po utwardzeniu. Często stosuje się je w „miękkich strefach” słupka B, aby pochłaniać energię uderzenia zamiast ją przekazywać.

Skład chemiczny jest ściśle kontrolowany, aby zapobiec problemom takim jak odkształcenie wodorowe, szczególnie w wyższych klasach wytrzymałości. Zawartość węgla jest zazwyczaj utrzymywana poniżej 0,30%, aby zachować rozsądną spawalność.

Powłoki i odporność na korozję

Stal niepokryta szybko utlenia się podczas ogrzewania do 900°C, tworząc twardą warstwę szkali, która uszkadza tłoczniki i wymaga oczyszczenia ściernego (piaskowania) po formowaniu. Aby tego uniknąć, większość nowoczesnych zastosowań PHS wykorzystuje blachy z powłoką wstępną.

Aluminium-krzem (AlSi): Jest to dominująca powłoka stosowana w bezpośrednim hartowaniu cieplnym. Zapobiega ona powstawaniu szkali podczas ogrzewania i zapewnia ochronę barierową przed korozją. Warstwa AlSi tworzy stop z żelazem stali w trakcie fazy ogrzewania, tworząc trwałą powierzchnię odporną na tarcie ślizgowe matrycy. W przeciwieństwie do cynku, nie oferuje ochrony galwanicznej (samoszczelną).

Powłoki cynkowe (Zn): Powłoki na bazie cynku (zabezpieczenia ogniowe lub galwaniczne) oferują doskonałą katodową ochronę przed korozją, co jest ważne dla elementów narażonych na wilgotne środowiska (takich jak progi). Jednak standardowe hartowanie na gorąco może spowodować Embrittlement ciekłego metalu (LME) , w którym ciekły cynk wnika w granice ziaren stali, powodując mikropęknięcia. Do bezpiecznego przetwarzania hartowanych na gorąco stali powlekanych cynkiem często wymagane są specjalistyczne procesy „pośrednie” lub techniki „wstępnego chłodzenia”.

Kluczowe zalety inżynieryjne

Wprowadzenie stali do hartowania prasowego wynika z konkretnych wyzwań inżynieryjnych w projektowaniu pojazdów. Materiał ten oferuje rozwiązania, których nie potrafią zapewnić zimnoutwardzalne stale o wysokiej wytrzymałości i niskim stopie (HSLA) ani stale ferrytyczno-perlitowe (DP).

• Skrajne lekkie konstrukcje: Dzięki wykorzystaniu wytrzymałości rzędu 1500 MPa lub wyższej, inżynierowie mogą zmniejszyć grubość elementów (redukcja kalibru), nie kompromitując bezpieczeństwa. Część, która wcześniej miała 2,0 mm grubości ze standardowej stali, może zostać zmniejszona do 1,2 mm w przypadku PHS, oszczędzając znaczną wagę.
• Brak sprężystego odkształcenia: W zimnym tłoczeniu stale wysokowytrzymałe mają tendencję do 'odskakiwania' do swojego pierwotnego kształtu po otwarciu matrycy, co utrudnia uzyskanie dokładnych wymiarów. PHS formuje się w stanie gorącym i miękkim (austenit) i hartuje podczas trzymania w matrycy. To blokuje geometrię w miejscu, zapewniając praktycznie zerowe odkształcenie zwrotne i wyjątkową precyzję wymiarową.
• Złożone geometrie: Ponieważ proces formowania zachodzi, gdy stal jest plastyczna (~900°C), skomplikowane kształty o dużych zagłębianiach i małych promieniach można wykonać jednym przebiciem — geometrie, które pękłyby lub pęknęłyby przy próbie wykonania z zimną stalą ultra-wysokowytrzymałą.

Typowe Zastosowania w Motoryzacji

PHS to materiał wyboru dla "klatki bezpieczeństwa" współczesnych pojazdów — sztywnej konstrukcji zaprojektowanej tak, aby chronić pasażerów podczas kolizji, zapobiegając wtargnięciu do wnętrza kabiny.

Kluczowe komponenty

Typowe zastosowania obejmują Słupki A, słupki B, listwy dachowe, wzmocnienia tunelu, listwy boczne oraz belki przeciwwtargnięcia do drzwi . Ostatnio producenci zaczęli integrować PHS w obudowach baterii pojazdów elektrycznych, aby chronić moduły przed uderzeniami bocznymi.

Dostosowane właściwości

Nowoczesne technologie wytwarzania umożliwiają „indywidualne hartowanie", w którym określone strefy jednej części (na przykład dolna część słupka B) są chłodzone wolniej, by pozostać miękkie i ciągliwe, podczas gdy górna część staje się całkowicie twarda. To połączenie optymalizuje właściwości części zarówno pod kątem odporności na wtargnięcie, jak i pochłaniania energii.

Dla producentów chcących wdrożyć te zaawansowane materiały, kluczowe jest współpracowanie ze specjalistycznymi dostawcami. Firmy takie jak Shaoyi Metal Technology ofertują kompleksowe rozwiązania w zakresie tłoczonych części samochodowych, potrafiąc obsłużyć wymagania dotyczące wysokich sił tłoczenia (do 600 ton) oraz precyzyjne potrzeby narzędziowe dla złożonych komponentów motoryzacyjnych – od prototypowania szybkiego po masową produkcję zgodnie ze standardem IATF 16949.

Podsumowanie

Właściwości stali hartowanej pod tłokiem stanowią kluczową synergia między metalurgią a procesem wytwarzania. Wykorzystując przemianę fazową ferrytu w martenzyt, inżynierowie uzyskują materiał wystarczająco plastyczny dla złożonych kształtów i jednocześnie dostatecznie wytrzymały, aby chronić życie. W miarę jak klasy stali rozwijają się w kierunku 2000 MPa i więcej, stal hartowana pod tłokiem pozostanie fundamentem strategii bezpieczeństwa i lekkich konstrukcji w przemyśle motoryzacyjnym.

Często zadawane pytania

1. Jaka jest różnica między hot stamping a press hardening?

Nie ma żadnej różnicy; te terminy są używane zamiennie. „Press hardening” odnosi się do procesu hartowania metalurgicznego zachodzącego w prasie, podczas gdy „hot stamping” określa metodę kształtowania. Oba opisują ten sam ciąg operacji produkcyjnych stosowany przy wytwarzaniu elementów z wysokowytrzymałej stali martenzytycznej.

2. Dlaczego dodaje się bor do stali hartowanej pod tłokiem?

Bor jest dodawany w niewielkich ilościach (0,002–0,005%), aby znacząco zwiększyć przenikalność hartowniczą stali. Opóźnia on powstawanie miększych struktur mikrostrukturalnych, takich jak ferryt i perlit podczas chłodzenia, zapewniając przemianę stali w całkowicie twardy martenzyt nawet przy szybkościach chłodzenia osiąganych w przemyślowych matrycach do tłoczenia.

3. Czy można spawać stal hartowaną pod ciśnieniem?

Tak, PHS można spawać, ale wymaga to określonych parametrów. Ponieważ materiał ten ma zazwyczaj zawartość węgla około 0,22%, nadaje się do spawania oporowego punktowego (RSW) oraz spawania laserowego. Jednak spawanie nieco rozmiękcza strefę wpływu ciepła (HAZ), co należy uwzględnić przy projektowaniu. W przypadku stali pokrytych warstwą AlSi, powłokę należy usunąć (np. poprzez ablację laserową) lub bardzo starannie kontrolować proces spawania, aby zapobiec zanieczyszczeniu kałużu spawalniczego.