Краткое содержание

Компания процесс горячей штамповки бористой стали также известный как прессовое упрочнение, представляет собой способ термического формования, при котором низколегированная бористая сталь — обычно 22MnB5 — превращается из феррито-перлитной микроструктуры (~600 МПа) в полностью мартенситное состояние (~1500 МПа). Это превращение достигается нагревом заготовки до температур аустенизации ( 900–950°C ) с последующим формованием и закалкой в водяном охлаждаемом штампе со скоростью более 27°C/s . Данный процесс позволяет изготавливать сложные, лёгкие автомобильные компоненты с ультравысокой прочностью и без пружинного эффекта, такие как стойки B и рельсы крыши.

Физика горячей штамповки: прямой и непрямой методы

Горячая штамповка — это не единый монолитный процесс; он подразделяется на два различных метода — Прямой и Косвенные —определяется моментом формовки по отношению к термическому циклу. Понимание этого различия имеет решающее значение для инженеров-технологов при выборе оборудования для конкретных геометрий деталей.

Прямая горячая штамповка

Прямой метод является отраслевым стандартом для большинства конструкционных элементов благодаря своей эффективности. В этой последовательности плоская заготовка сначала нагревается в печи до примерно 900–950°C для достижения однородной аустенитной структуры. Затем горячая заготовка быстро перемещается (обычно менее чем за 3 секунды) в пресс, где она одновременно формуется и закаливается в охлаждаемом инструменте. Этот метод является экономически выгодным, но ограничен формовочными возможностями материала при высоких температурах; значительные глубины вытяжки могут привести к утонению или трещинам.

Непрямая горячая штамповка

Для деталей со сложными геометриями, превышающими пределы горячей формовки стали, применяется непрямой метод. В этом случае заготовка формуется в холодном состоянии до формы, близкой к конечной (90–95% готовности) перед нагревом. Затем предварительно сформованная деталь аустенизируется в специализированной печи и перемещается в пресс для окончательной калибровки и закалки. Хотя это позволяет получать более сложные формы, значительно увеличивается время цикла и капитальные затраты из-за дополнительной стадии холодной штамповки и необходимости использования 3D-систем транспортировки в печи.

Металлургические превращения: превращение 22MnB5 в мартенсит

Ключевая ценность горячей штамповки заключается в фазовом превращении микроструктуры 22MnB5 стали. В исходном состоянии эта боросодержащая сталь имеет феррито-перлитную микроструктуру с пределом текучести около 350–550 МПа и временным сопротивлением разрыву примерно 600 МПа. Технологический процесс направлен на управление тремя ключевыми параметрами для изменения этой структуры.

1. Аустенизация

Сталь должна быть нагрета выше своей верхней критической температуры (Ac3), обычно около 850°C , хотя технологические значения зачастую находятся в диапазоне 900°C до 950°C для обеспечения полного превращения. В течение времени выдержки (обычно 4–10 минут в зависимости от толщины и типа печи) углерод переходит в твёрдый раствор, образуя аустенит. Эта гранецентрированная кубическая (ГЦК) структура обладает пластичностью, что позволяет выполнять сложное формование с меньшим усилием по сравнению с холодной штамповкой.

2. Роль бора и скорости охлаждения

Бор добавляется в сплав (0,002–0,005%) специально для замедления образования феррита и перлита при охлаждении. Этот легирующий элемент повышает прокаливаемость, позволяя закаливать сталь с управляемой скоростью — обычно >27°C/с (критическая скорость охлаждения) — чтобы миновать нос кривой бейнита и обеспечить прямое превращение в мартенсит . Если скорость охлаждения падает ниже этого порога, образуются более мягкие фазы, такие как бейнит, что снижает конечную прочность.

3. Решение с покрытием Al-Si

При температурах выше 700 °C незащищенная сталь быстро окисляется, образуя твердый окалиновый слой, который повреждает штампы и требует последующей дробеструйной обработки. Для предотвращения этого промышленные стандартные материалы, такие как Usibor 1500P используют предварительно нанесенное алюминиево-кремниевое (Al-Si) покрытие. В процессе нагрева это покрытие сплавляется с основой, образуя диффузионный слой Fe-Al-Si, который предотвращает образование окалины и обезуглероживание. Эта инновация устраняет необходимость в защитной атмосфере печи и последующих этапах очистки, что позволяет оптимизировать производственную линию.

Производственная линия: критическое оборудование и параметры

Внедрение линии горячего штампования требует специализированного оборудования, способного выдерживать экстремальные тепловые градиенты и высокие усилия. Капитальные вложения значительны и зачастую требуют стратегического партнерства для прототипирования и производства избыточных объемов.

• Технология печей: Ленточные печи являются стандартом для высокопроизводительного прямого горячего штампования. Они должны поддерживать равномерность температуры в пределах ±5 °C, чтобы обеспечить стабильные механические свойства. Для непрямых процессов или при меньших объемах могут использоваться камерные печи. Общее время выдержки зависит от толщины заготовки и обычно рассчитывается по формуле t = (толщина × постоянная) + базовое время , что зачастую дает 4–6 минут для стандартных толщин.
• Гидравлические и серво-прессы: В отличие от холодного штампования, пресс должен задерживаться в нижней точке хода, чтобы удерживать деталь на охлаждаемых поверхностях матрицы. Гидравлический или серво-гидравлические прессы предпочтительнее благодаря их способности прикладывать и удерживать максимальное усилие (часто 800–1200 тонн) в течение требуемого времени закалки (5–10 секунд). Общее время цикла обычно составляет от 10 до 30 секунд.
• Оснастка и каналы охлаждения: Матрица является теплообменником. Она должна иметь сложные внутренние каналы охлаждения (часто выполненные сверлением или методом 3D-печати), по которым циркулирует вода с высокой скоростью потока. Цель — быстро отводить тепло, поддерживая температуру поверхности инструмента ниже 200 °C для обеспечения эффективного закалочного процесса.
• Лазерная обрезка: Поскольку готовая деталь имеет предел прочности около 1500 МПа, традиционные механические штампы для обрезки изнашиваются практически мгновенно. Поэтому лазерная подстройка (обычно 5-осевые волоконные лазеры) является стандартным методом для вырезания отверстий и окончательного контура после формовки.

Для производителей, осуществляющих переход от прототипа к массовому производству, сложность этой технологической цепочки может стать барьером. Использование Комплексные решения для штамповки от Shaoyi Metal Technology может преодолеть этот разрыв. Их возможности, включающие точную штамповку с усилием до 600 тонн и соответствие стандартам IATF 16949, обеспечивают необходимую инженерную инфраструктуру для проверки параметров процесса и наращивания объемов производства без немедленных значительных капитальных вложений.

Передовые применения: специальные свойства и мягкие зоны

Современный дизайн безопасности транспортных средств зачастую требует, чтобы один компонент обладал двойными свойствами: высокой устойчивостью к проникновению (жесткий) и высоким поглощением энергии (мягкий). Горячая штамповка позволяет реализовать это с помощью Настроенные свойства .

Технологии мягких зон

Контролируя скорость охлаждения в определенных областях матрицы, инженеры могут предотвратить мартенситное превращение в локализованных зонах. Например, стойка B может нуждаться в полностью мартенситной верхней части (1500 МПа) для защиты головы пассажира, но при этом иметь более мягкую, пластичную нижнюю часть (500–700 МПа), чтобы поглощать энергию при боковом ударе. Это достигается путем теплоизоляции определённых участков инструмента или использования нагревательных элементов для поддержания температуры матрицы выше температуры начала образования мартенсита (Ms), что позволяет образовываться бейниту или ферриту.

Заготовки из сваренных листов разной толщины (TWBs)

Другой подход предполагает лазерную сварку двух различных марок стали или толщин перед процессом горячей штамповки. Заготовка может сочетать лист борированной стали с листом пластичной стали HSLA. При горячей штамповке сторона из борированной стали закаляется, в то время как сторона HSLA сохраняет пластичность, создавая деталь с различными зонами эксплуатационных характеристик без сложных систем нагрева матриц.

Стратегический анализ: преимущества, недостатки и затраты

Решение о внедрении горячей штамповки связано со сложным выбором между производительностью и стоимостью. В следующем анализе освещены ключевые факторы принятия решений для автомобильных инженеров.