REZUMAT

Oțelurile bifazice (DP) sunt oțeluri avansate cu înaltă rezistență (AHSS), caracterizate printr-o microstructură formată din insule dure de martensit dispersate într-o matrice moale de ferită. Această combinație unică oferă un raport scăzut între limita de curgere și rezistența la tracțiune (~0,6) și o rată ridicată inițială de ecruisare (valoare n), făcându-le ideale pentru stamplări auto complexe care necesită atât deformabilitate, cât și rezistență la impact. Cu toate acestea, stamplarea reușită necesită gestionarea riscurilor semnificative de revenire elastică și fisurare la margine. Inginerii trebuie în mod tipic să mărească jocurile de ambroșare la 12–14% și să utilizeze scule mai rigide, cu acoperiri avansate precum TiC sau CrN, pentru a face față sarcinilor mari și ratelor ridicate de uzură.

Microstructură și proprietăți mecanice

Valoarea inginerească a oțelului bifazic constă în microstructura sa distinctă, formată din două faze. Spre deosebire de oțelurile de înaltă rezistență și aliaj redus (HSLA), care se bazează pe întărirea prin precipitare, oțelurile DP își dobândesc proprietățile datorită unei structuri compozite: o matrice continuă de ferită moale care asigură ductilitatea și insule martensitice dure dispersate care oferă rezistență. În timpul deformării, deformarea se concentrează în faza mai moale de ferită din jurul martensitei, ceea ce duce la o rată ridicată inițială de întărire prin deformare (valoare n).

Această microstructură creează un profil de comportament mecanic optimizat în mod specific pentru formarea la rece. În timp ce clasele HSLA prezintă în mod tipic un raport între limita de curgere și rezistența la tracțiune (YS/TS) de aproximativ 0,8, oțelurile DP mențin un raport mult mai scăzut, de aproximativ 0,6. Această limită de curgere mai joasă permite începerea deformării plastice mai devreme, facilitând formarea unor forme complexe înainte ca materialul să atingă limita sa ultimă de tracțiune. Observație pentru prelucrător faptul că această valoare ridicată a coeficientului n este deosebit de pronunțată la game reduse de deformare (4–6%), ceea ce ajută la distribuirea uniformă a deformației pe întreaga piesă și previne gâtuirea localizată în fazele incipiente ale cursei presei.

Grecele comerciale comune—cum ar fi DP590, DP780 și DP980—sunt definite prin rezistențele lor minime la tracțiune (în MPa). Pe măsură ce fracția volumică de martensită crește, rezistența la tracțiune crește, dar ductilitatea scade în mod natural. Inginerii trebuie să echilibreze acești factori, alegând adesea fracții mai mici de martensită pentru piesele adânc trase și fracții mai mari pentru longeroanele structurale, unde performanța anti-ptruziune este esențială.

Provocări la ambutisare: revenirea elastică și fisurarea marginilor

Caracteristica foarte specifică care face oțelul DP dorit — rata ridicată de întărire prin deformare — introduce defectul principal de fabricație: revenirea elastică. Deoarece materialul se întărește rapid în timpul deformării, tensiunea de revenire elastică stocată în piesă este semnificativ mai mare decât în cazul oțelurilor moi. Acest fenomen se manifestă prin curbarea pereților laterali și modificarea unghiului după ce piesa este scoasă din matriță, ceea ce complică precizia dimensională pentru asamblare.

Pentru a reduce revenirea elastică, inginerii de proces utilizează mai multe strategii de proiectare a matrițelor. Supracurbarea suprafețelor matriței permite materialului să se relaxeze în geometria corectă. În plus, proiectarea benzilor de perete sau a rigidizărilor poate fixa geometria în loc. O tehnică mai avansată implică aplicarea unei deformări mari la finalul cursei presei pentru a reduce tensiunile reziduale de compresiune, fixând eficient forma.

Fisurarea marginilor este o altă defecțiune critică, în special în timpul operațiunilor de îndoire cu întindere. Diferența de duritate dintre ferita moale și martensita dură creează concentrații de tensiune la marginile tăiate, ducând la apariția unor microgoluri care se pot contopi în fisuri. SSAB sugerează utilizarea unor calități specializate "Dual Phase High Formability" (DH) pentru geometrii care necesită ambutisare profundă sau margini întinse. Aceste calități AHSS de generația a 3-a folosesc structuri microstructurale asistate de efectul TRIP (cu austenită reținută) pentru a menține prelucrabilitatea la niveluri mai mari de deformare, oferind o rezistență superioară la fisurarea marginilor comparativ cu calitățile DP standard.

Ghiduri privind proiectarea sculelor și matrițelor

Presarea oțelului Dual Phase necesită o reconsiderare fundamentală a parametrilor standard ai sculelor utilizați pentru oțel moale sau HSLA. Ajustarea cea mai importantă este jocul între poanson și placă. Jocurile standard de aproximativ 9% din grosimea metalului duc adesea la fisurări severe ale marginilor în oțelurile DP din cauza rezistenței ridicate la forfecare a materialului.

Date din Tata Steel demonstrează că mărirea jocului la perforare la 12–14%îmbunătățește semnificativ calitatea marginii. Într-un studiu de caz, creșterea jocului de la 9% la 12% a redus rata de fisurare a pieselor de la 22% la aproape zero. Acest spațiu mai mare modifică starea de tensiune la marginea de tăiere, reducând tendința de propagare a microfisurilor în flanșă.

Uzura sculelor este, de asemenea, accelerată. Presiunile ridicate de contact necesare pentru formarea oțelului DP—adesea depășind 600 de tone pentru componente structurale—pot provoca aderențe și degradarea rapidă a matrițelor. Oțelurile pentru scule trebuie acoperite cu tratamente superficiale dure și cu coeficient redus de frecare, cum ar fi carbura de titan (TiC) sau nitrura de crom (CrN), pentru a prelungi intervalele dintre întrețineri. În plus, presa însăși trebuie să aibă rigiditate suficientă pentru a preveni deformarea sub aceste sarcini mari, ceea ce altfel ar compromite toleranțele pieselor.

Pentru producătorii care se confruntă cu aceste cerințe sporite privind echipamentele, colaborarea cu un furnizor specializat în prelucrări este adesea calea cea mai eficientă. Shaoyi Metal Technology oferă soluții complete de ambutisare care acoperă diferența dintre prototipare și producția de masă. Cu capacități de presare până la 600 de tone și certificare IATF 16949, sunt echipate pentru a gestiona cerințele riguroase de tonaj și precizie ale oțelurilor înalte rezistență avansată, cum ar fi clasele DP și DH pentru componente critice precum brațele de suspensie și subansamblele.

Întărire prin călire și performanța finală

Unul dintre avantajele ascunse ale oțelului bifașă (Dual Phase) este efectul său de "întărire prin călire" (BH). Acest fenomen apare în timpul ciclului de vopsire automotive, în mod tipic la aproximativ 170°C timp de 20 de minute. În acest proces termic, atomii liberi de carbon din microstructura oțelului se difuzează și fixează dislocațiile generate în timpul ambutisării.

Acest mecanism duce la o creștere semnificativă a limitei de curgere — în mod tipic cu 50–100 MPa — fără a afecta dimensiunile piesei. Această creștere a rezistenței statice permite inginerilor auto să reducă grosimea materialului (să folosească materiale mai subțiri) pentru a diminua greutatea vehiculului, asigurând în același timp că piesa finală îndeplinește cerințele privind siguranța în caz de accident. Combinarea întăririi prin deformare din atelierul de presare și a întăririi prin coacere din atelierul de vopsire conferă componentului final o capacitate excepțională de absorbție a energiei, făcând din oțelul DP alegerea standard pentru componentele structurii de siguranță, cum ar fi stâlpii B, barele de acoperiș și traverselor.

Concluzie: Optimizarea producției de AHSS

Oțelul bifazic reprezintă un punct critic de echilibru în ingineria auto modernă, oferind rezistența necesară pentru conformitatea cu standardele de siguranță și ductilitatea necesară pentru realizarea procesului de fabricație. Deși acest material prezintă provocări distincte — în special privind gestionarea revenirii elastice și uzura sculelor — acestea pot fi depășite eficient prin proiectarea matrițelor bazată pe date și selecția corespunzătoare a presei. Respectând fizica unică a microstructurii ferit-martensit și ajustând parametri precum jocul ștanței la intervalul recomandat de 12–14%, producătorii pot valorifica în totalitate potențialul acestui material versatil în ceea ce privește reducerea greutății și performanța.

Întrebări frecvente

1. Cum diferă oțelul bifazic de oțelul HSLA?

În timp ce oțelurile de înaltă rezistență și aliate (HSLA) se bazează pe elemente de microaliere pentru durificarea prin precipitare, oțelurile cu fază duală (DP) se bazează pe o microstructură bifazică de ferită și martensită. Acest lucru conferă oțelurilor DP un raport mai scăzut între limita de curgere și rezistența la tracțiune (~0,6 față de 0,8 pentru HSLA) și o rată inițială mai mare de întărire prin deformare, permițând o formabilitate superioară la rezistențe echivalente la tracțiune.

2. Care este jocul recomandat la poanson pentru ambutisarea oțelului DP?

Jocurile standard la poanson utilizate pentru oțel moale (aproximativ 9%) sunt de obicei prea mici pentru oțelul DP și pot provoca fisurarea marginii. Practicile industriale recomandă mărirea jocului la poanson până la 12–14%din grosimea materialului pentru a îmbunătăți calitatea marginii și durata sculei.

3. Ce cauzează revenirea elastică în oțelul cu fază duală?

Revenirea elastică este cauzată de înalta recuperare elastică a materialului după formare. Rata ridicată de întărire prin deformare la oțelul DP înseamnă că acesta stochează o energie elastică semnificativă în timpul deformării. Atunci când matrița se deschide, această energie este eliberată, determinând piesa să revină sau să se încovoaie. Aceasta trebuie compensată prin supracurbare sau relovită în proiectarea matriței.

4. Se poate sudura oțelul Dual Phase?

Da, oțelurile DP au în general o bună sudabilitate, dar trebuie luat în considerare echivalentul specific de carbon. Deși clasele de rezistență mai scăzute (DP590) pot fi ușor sudate prin puncte, clasele de rezistență mai mari (DP980 și peste) pot necesita ajustări ale parametrilor de sudare, cum ar fi forța crescută a electrozilor sau programe specifice de impuls, pentru a preveni fisurările casante în zona afectată termic de sudură.