Proprietăți ale oțelului pentru durificare prin presare: Ghid tehnic privind rezistența și formabilitatea

REZUMAT

Oțelul pentru calcarire prin presare (PHS), cunoscut și ca oțel amprentat la cald sau oțel borat, este un aliaj de înaltă rezistență (în mod tipic 22MnB5) proiectat pentru componente auto de siguranță. Este livrat într-o stare maleabilă ferito-perlitică (rezistență la curgere ~300–600 MPa), dar se transformă într-o structură martensitică excepțional de dură (rezistență la tracțiune 1300–2000 MPa) după ce este încălzit la ~900°C și călit într-o matriță răcită. Acest proces elimină revenirea elastică, permite obținerea unor geometrii complexe și asigură o reducere semnificativă a greutății în structurile critice pentru impact, cum ar fi stâlpii A și parașocurile.

Ce este oțelul pentru calcarire prin presare (PHS)?

Oțelul de calcarire prin presare (PHS), frecvent denumit în industria auto oțel amprentat la cald sau oțel format la cald, reprezintă o categorie de oțeluri aliate cu bor care trec printr-un proces specializat de formare termomecanică. Spre deosebire de oțelurile obișnuite amprentate la rece, care sunt formate la temperatura camerei, PHS este încălzit până când atinge o stare austenitică și apoi este format și călit simultan într-o sculă răcită.

Gradul standard pentru acest proces este 22MnB5 , un aliaj de carbon-mangan-bor. Adăugarea de bor (în mod tipic 0,002–0,005%) este esențială deoarece îmbunătățește în mod drastic călibilitatea oțelului, asigurând obținerea unei structuri microstructurale complet martensitice chiar și la viteze moderate de răcire. Fără bor, materialul s-ar putea transforma în faze mai moi, cum ar fi bainita sau perlita, în timpul fazei de călire, nefiind capabil să atingă rezistența dorită.

Transformarea fundamentală care conferă oțelului PHS valoarea sa este microstructurală. Livrat sub formă de tablă moale, cu structură ferito-perlitică, materialul este ușor de tăiat și manipulat. În timpul procesului de stampare la cald, acesta este încălzit peste temperatura sa de austenitizare (în mod tipic în jur de 900–950°C). Atunci când semifabricatul cald este fixat în matriță, este răcit rapid (cu viteze ce depășesc 27°C/s). Această răcire rapidă evită formarea unor structuri mai moi și transformă austenita direct în martensit , forma cea mai dură a structurii oțelului.

Proprietăți mecanice: Starea inițială vs. Starea întărită

Pentru ingineri și specialiști în aprovizionare, cel mai important aspect al proprietăților oțelului de presare întărit este diferența dramatică dintre starea sa inițială și cea finală. Această dualitate permite o formare complexă (când este moale) și o performanță extremă (când este dur).

Tabelul de mai jos compară proprietățile mecanice tipice ale calibrului standard 22MnB5 înainte și după procesul de întărire prin presare:

Analiza rezistenței la curgere: Rezistența la curgere se triplează în mod tipic în timpul procesului. Deși materialul livrat se comportă asemănător oțelului structural standard, componenta finită devine rigidă și rezistentă la deformare, fiind ideală pentru carcase de siguranță anti-ptrundere.

Duritate și prelucrabilitate: Duritatea finală de 470–510 HV face tăierea mecanică sau perforarea extrem de dificile și predispuse la uzura sculelor. Prin urmare, majoritatea operațiilor de tăiere pe piesele PHS finite sunt realizate prin tăiere cu laser (vezi Date tehnice SSAB ) sau cu matrițe speciale pentru tăierea la cald imediat înainte ca piesa să se răcească complet.

Note comune PHS și compoziție chimică

Deși 22MnB5 rămâne materialul de bază al industriei, cererea pentru componente și mai ușoare și mai puternice a condus la dezvoltarea mai multor variante. Inginerii aleg în mod obișnuit notele în funcție de echilibrul dintre rezistența maximă și ductilitatea necesară pentru absorbția energiei.

• PHS1500 (22MnB5): Calitatea standard cu o rezistență la tracțiune de aproximativ 1500 MPa. Conține aproximativ 0,22% carbon, 1,2% mangan și urme de bor. Oferă un echilibru între rezistență și tenacitate suficientă pentru majoritatea aplicațiilor de siguranță.
• PHS1800 / PHS2000: Noi calități de înaltă rezistență care cresc rezistența la tracțiune până la 1800 sau 2000 MPa. Acestea obțin o rezistență mai mare prin creșterea ușoară a conținutului de carbon sau prin aliere modificată (de exemplu, siliciu/niobiu), dar pot avea tenacitate redusă. Sunt utilizate pentru piese unde rezistența la pătrundere este singura prioritate, cum ar fi barele parașocului sau traversele de acoperiș.
• Calități ductile (PHS1000 / PHS1200): Cunoscute și sub numele de Oțeluri presate și călite (PQS), aceste calități (cum ar fi PQS450 sau PQS550) sunt concepute pentru a păstra o alungire mai mare (10–15%) după călire. Sunt utilizate adesea în zonele „moi” ale stâlpului B pentru a absorbi energia în caz de impact, nu pentru a o transmite.

Compoziția chimică este strict controlată pentru a preveni probleme precum fragilitatea prin hidrogen, mai ales în clasele de rezistență mai mari. Conținutul de carbon este menținut în general sub 0,30% pentru a păstra o sudabilitate acceptabilă.

Stratificări și rezistență la coroziune

Oțelul netratat se oxidează rapid atunci când este încălzit la 900°C, formând un strat dur care deteriorează matrițele de stampare și necesită curățare abrazivă (sandblasting) după formare. Pentru a evita acest lucru, majoritatea aplicațiilor moderne PHS folosesc foi prestratificate.

Aluminiu-Siliciu (AlSi): Acesta este stratul dominant utilizat pentru stamparea directă la cald. Previne formarea de crustă în timpul încălzirii și oferă protecție anticorozivă de tip barieră. Stratul AlSi formează un aliaj cu fierul din oțel în faza de încălzire, creând o suprafață robustă care rezistă frecării alunecătoare față de matriță. Spre deosebire de Zinc, nu oferă protecție galvanică (autovindecare).

Stratificări din Zinc (Zn): Acoperirile pe bază de zinc (galvanizate sau galvannealizate) oferă o protecție catodică superioară împotriva coroziunii, lucru valoros pentru piesele expuse la medii umede (cum ar fi pragurile). Cu toate acestea, stamparea obișnuită la cald poate cauza Fragilizarea prin metal lichid (LME) , unde zincul lichid pătrunde în limitele cristalitelor oțelului, provocând microfisuri. Sunt adesea necesare procese specializate „indirecte” sau tehnici de „pre-răcire” pentru a gestiona în siguranță oțelul PHS cu acoperire de zinc.

Avantaje inginerești principale

Adoptarea oțelurilor de presare durificată a fost determinată de anumite provocări inginerești specifice în proiectarea vehiculelor. Acest material oferă soluții pe care oțelurile HSLA (cu rezistență ridicată și aliere scăzută) sau oțelurile bifazice (DP) stampate la rece nu le pot egala.

• Ușurare extremă: Prin utilizarea unor rezistențe de 1500 MPa sau mai mari, inginerii pot reduce grosimea pieselor (reducerea calibrului) fără a compromite siguranța. O piesă care anterior avea 2,0 mm grosime în oțel standard ar putea fi redusă la 1,2 mm în cazul oțelului PHS, economisind o greutate semnificativă.
• Zero revenire elastică: În stamparea la rece, oțelurile înalte rezistență tind să se „întoarcă” la forma lor inițială după deschiderea matriței, ceea ce face ca precizia dimensională să fie dificilă. PHS se formează când este cald și moale (austenit) și se întărește în timp ce este menținut sub constrângere în matriță. Acest lucru blochează geometria în poziție, rezultând practic în absența revenirii elastice și o precizie dimensională excepțională.
• Geometrii complexe: Deoarece formarea are loc atunci când oțelul este maleabil (~900°C), forme complexe cu adâncituri mari și raze strânse pot fi realizate într-o singură cursă — geometrii care s-ar fisura sau crapa dacă ar fi încercate cu oțel ultra-înalt rezistență la rece.

Aplicații Automobilistice Tipice

PHS este materialul ales pentru „cuculia de siguranță” a vehiculelor moderne — structura rigidă concepută pentru a proteja ocupanții în timpul unei coliziuni, prevenind pătrunderea în cabină.

Componente critice

Aplicații standard includ Stâlpi A, stâlpi B, traverse de acoperiș, consolidări ale tunelului, bariere laterale și bare anti-ptrundere în uși . Mai recent, producătorii au început să integreze PHS în carcasele bateriilor pentru vehicule electrice, pentru a proteja modulele de impacturile laterale.

Proprietăți Personalizate

Producția avansată permite „calibrarea personalizată”, prin care anumite zone ale unei singure piese (cum ar fi partea inferioară a unui stâlp B) sunt răcite mai lent pentru a rămâne moi și ductile, în timp ce secțiunea superioară devine complet dură. Această combinație optimizează piesa atât pentru rezistența la pătrundere, cât și pentru absorbția energiei.

Pentru producătorii care doresc să implementeze aceste materiale avansate, colaborarea cu fabricanți specializați este esențială. Companii precum Shaoyi Metal Technology oferă soluții complete pentru piese auto obținute prin stampare, capabile să gestioneze cerințe de mare tonaj (până la 600 de tone) și să asigure dotările precise necesare pentru componente auto complexe, de la prototipare rapidă la producție de serie conform standardelor IATF 16949.

Concluzie

Proprietățile oțelului de calcarire reprezintă o sinergie esențială între metalurgie și procesul de fabricație. Prin valorificarea transformării fazice de la ferită la martensită, inginerii obțin un material suficient de deformabil pentru proiecte complexe, dar în același timp suficient de rezistent pentru a salva vieți. Pe măsură ce clasele evoluează către 2000 MPa și dincolo de aceasta, oțelul de calcarire va rămâne un pilon al strategiilor de siguranță și ușurare în industria auto.

Întrebări frecvente

1. Care este diferența dintre ambutisarea la cald și calcarirea?

Nu există nicio diferență; termenii sunt folosiți interschimbabil. „Calcarirea” se referă la procesul de întărire metalurgică care are loc în presă, în timp ce „ambutisarea la cald” se referă la metoda de formare. Ambele descriu aceeași succesiune de fabricație utilizată pentru producerea pieselor din oțel martensitic de înaltă rezistență.

2. De ce se adaugă bor în oțelul de calcarire?

Borul este adăugat în cantități mici (0,002–0,005%) pentru a crește semnificativ calabilitatea oțelului. Întârzie formarea microstructurilor mai moi, cum ar fi ferita și perlita, în timpul răcirii, asigurând transformarea completă a oțelului în martensit dur chiar și la vitezele de răcire obținute în matrițele industriale de stampare.

3. Se poate sudura oțelul presat călit?

Da, PHS poate fi sudat, dar necesită parametri specifici. Deoarece materialul are în general un conținut de carbon de aproximativ 0,22%, este compatibil cu sudarea prin puncte de rezistență (RSW) și sudarea cu laser. Totuși, sudarea înmoaie ușor Zona Afectată Termic (HAZ), ceea ce trebuie luat în considerare la proiectare. Pentru oțelurile acoperite cu AlSi, stratul de acoperire trebuie îndepărtat (prin ablație cu laser) sau gestionat cu atenție în timpul sudării pentru a preveni contaminarea băii de sudură.