Краткое содержание

Стали двойной фазы (DP) — это передовые высокопрочные стали (AHSS), характеризующиеся микроструктурой из твердых островков мартенсита, диспергированных в мягкой ферритной матрице. Такое уникальное сочетание обеспечивает низкое отношение предела текучести к пределу прочности (~0,6) и высокую начальную скорость упрочнения при деформации (коэффициент n), что делает их идеальными для сложной автомобильной штамповки, требующей как хорошей формовки, так и стойкости при авариях. Однако успешная штамповка требует управления значительным пружинением и риском растрескивания кромок. Инженерам обычно необходимо увеличивать зазоры пуансона до 12–14% и использовать более жесткую оснастку с продвинутыми покрытиями, такими как TiC или CrN, чтобы выдерживать повышенные нагрузки и износ.

Микроструктура и механические свойства

Инженерная ценность двухфазной стали заключается в её характерной двухфазной микроструктуре. В отличие от сталей повышенной прочности с низким легированием (HSLA), которые упрочняются за счёт выделения частиц, двухфазные стали получают свои свойства благодаря композитной структуре: непрерывной мягкой ферритной матрице, обеспечивающей пластичность, и рассеянным твёрдым мартенситным включениям, придающим прочность. При деформации концентрация деформации происходит в более мягкой ферритной фазе вокруг мартенсита, что приводит к высокому начальному коэффициенту упрочнения (коэффициент n).

Такая микроструктура обеспечивает механические свойства, специально оптимизированные для холодной формовки. В то время как марки HSLA обычно имеют соотношение предела текучести к временному сопротивлению (ПТ/ВС) около 0,8, у двухфазных сталей это соотношение значительно ниже — приблизительно 0,6. Более низкий предел текучести позволяет пластической деформации начаться раньше, облегчая формирование сложных контуров до достижения материалом своего предела прочности. Примечание производителя тот факт, что высокое значение показателя n особенно заметно при низких значениях деформации (4–6%), что способствует равномерному распределению деформации по всей детали и предотвращает локальное сужение на ранних этапах хода пресса.

Распространённые коммерческие марки — такие как DP590, DP780 и DP980 — определяются по минимальному пределу прочности при растяжении (в МПа). По мере увеличения объёмной доли мартенсита прочность при растяжении возрастает, но пластичность естественным образом снижается. Инженерам необходимо находить баланс между этими факторами, зачастую выбирая меньшую долю мартенсита для деталей, получаемых глубокой вытяжкой, и большую долю — для структурных профилей, где важнейшим требованием является защита от вторжения.

Сложности штамповки: пружинение и трещины на кромках

Та самая характеристика, которая делает DP-сталь привлекательной — высокая скорость упрочнения при деформации — вызывает основной производственный дефект: пружинение. Поскольку материал быстро упрочняется в процессе деформации, напряжение упругого восстановления, накопленное в детали, значительно выше, чем в мягких сталях. Это проявляется в виде заворота боковых стенок и изменения углов после извлечения детали из штампа, что осложняет достижение точных геометрических размеров при сборке.

Для уменьшения пружинения технологи применяют несколько стратегий проектирования штампов. Избыточное выгибание поверхностей штампа позволяет материалу релаксировать в нужную геометрию. Кроме того, использование борозд или ребер жесткости может зафиксировать форму. Более продвинутый метод заключается в создании высоких деформаций в конце хода пресса для снижения остаточных сжимающих напряжений, что эффективно «фиксирует» форму.

Краевое растрескивание является еще одним критическим видом разрушения, особенно при операциях вытяжки с отбортовкой. Разница в твердости между мягким ферритом и твердым мартенситом создает концентрацию напряжений на срезанных краях, что приводит к образованию микропор, способных объединяться в трещины. SSAB рекомендует использовать специальные марки «Dual Phase High Formability» (DH) для геометрий, требующих глубокой вытяжки или растянутых кромок. Эти высокопрочные стальные сплавы третьего поколения используют микроструктуры, упрочненные за счет эффекта TRIP (с остаточным аустенитом), чтобы сохранять формуемость при более высоких уровнях деформации, обеспечивая повышенную стойкость к краевому растрескиванию по сравнению со стандартными марками DP.

Рекомендации по проектированию инструмента и штампов

Штамповка стали типа Dual Phase требует принципиального пересмотра стандартных параметров инструментов, используемых для низкоуглеродистой или высокопрочной низколегированной стали. Наиболее важной корректировкой является зазор пуансона. Стандартные зазоры около 9% толщины металла часто приводят к серьезному расщеплению кромок в сталях DP из-за высокой прочности материала на сдвиг.

Данные из Tata Steel показывает, что увеличение зазора пуансона до 12–14%значительно улучшает качество кромки. В одном из исследований увеличение зазора с 9% до 12% сократило частоту расщепления деталей с 22% почти до нуля. Более большой зазор изменяет состояние напряжения на режущей кромке, снижая склонность к распространению микротрещин в фланец.

Износ инструмента также ускоряется. Высокие контактные давления, необходимые для формовки DP-стали — зачастую превышающие 600 тонн для конструкционных элементов — могут вызывать задиры и быстрое разрушение матриц. Инструментальные стали должны быть покрыты твёрдыми антифрикционными покрытиями, такими как карбид титана (TiC) или нитрид хрома (CrN), чтобы увеличить интервалы обслуживания. Кроме того, сам пресс должен обладать достаточной жёсткостью, чтобы предотвратить прогиб под высокими нагрузками, который в противном случае нарушил бы допуски на деталь.

Для производителей, сталкивающихся с такими повышенными требованиями к оборудованию, сотрудничество со специализированным поставщиком изготовления деталей зачастую является наиболее эффективным решением. Shaoyi Metal Technology предлагает комплексные решения для штамповки которые преодолевают разрыв между прототипированием и массовым производством. С возможностями прессов до 600 тонн и сертификацией IATF 16949 они оснащены для выполнения требований высокой прочности и точности при обработке высокопрочных сталей таких как марки DP и DH для критических компонентов, таких как рычаги подвески и подрамники.

Упрочнение при закалке и окончательные эксплуатационные характеристики

Одно из скрытых преимуществ двухфазной стали — это эффект «упрочнения при закалке» (BH). Это явление происходит в процессе отверждения автомобильной краски, как правило при температуре около 170 °C в течение 20 минут. В ходе этого термического процесса свободные атомы углерода в микроструктуре стали диффундируют и закрепляют дислокации, возникшие при штамповке.

Этот механизм приводит к значительному повышению предела прочности — обычно на 50–100 МПа — без изменения размеров детали. Такое увеличение статической прочности позволяет инженерам автомобилестроительных компаний «уменьшать толщину» (использовать более тонкий материал) для снижения массы транспортного средства при обеспечении соответствия конечной детали требованиям по безопасности в случае столкновения. Сочетание упрочнения деформацией из пресс-цеха и упрочнения при отпуске из окрасочного цеха придаёт готовому компоненту исключительную способность поглощать энергию, что делает сталь ДФ стандартным выбором для элементов каркаса безопасности, таких как стойки B, продольные балки крыши и поперечины.

Заключение: Оптимизация производства АНЛС

Двухфазная сталь представляет собой важную точку баланса в современной автомобильной инженерии, обеспечивая прочность, необходимую для соблюдения требований безопасности, и пластичность, нужную для технологичности производства. Хотя данный материал имеет определённые трудности — в частности, управление упругим восстановлением и износом инструмента — их можно эффективно преодолеть с помощью проектирования штампов на основе данных и правильного выбора прессов. Учитывая уникальные физические свойства микроструктуры феррит-мартенсит и корректируя параметры, такие как зазор пуансона в рекомендованном диапазоне 12–14 %, производители могут в полной мере использовать потенциал этого универсального материала в плане снижения веса и повышения эксплуатационных характеристик.

Часто задаваемые вопросы

1. Чем двухфазная сталь отличается от стали HSLA?

В то время как низколегированные стали повышенной прочности (HSLA) используют микролегирующие элементы для дисперсионного твердения, двухфазные (DP) стали основаны на двухфазной микроструктуре феррита и мартенсита. Это обеспечивает у DP сталей более низкое соотношение предела текучести к пределу прочности (~0,6 против 0,8 у HSLA) и более высокую начальную скорость упрочнения при деформации, что позволяет достичь лучшей формовки при одинаковой прочности на растяжение.

2. Какой рекомендуемый зазор пуансона для штамповки DP стали?

Стандартные зазоры пуансона, используемые для мягкой стали (около 9%), обычно слишком малы для DP стали и могут вызвать растрескивание кромок. Рекомендованные отраслевые практики предполагают увеличение зазора пуансона до 12–14%толщины материала для улучшения качества кромки и срока службы инструмента.

3. Что вызывает пружинение в двухфазной стали?

Возвратная деформация вызвана высокой упругой восстанавливаемостью материала после формовки. Высокая скорость упрочнения при деформации у стали DP означает, что она накапливает значительную упругую энергию в процессе деформации. Когда пресс-форма открывается, эта энергия высвобождается, вызывая пружинение или изгиб детали. Это необходимо компенсировать за счёт дополнительного профилирования или повторного выдавливания при проектировании пресс-формы.

4. Можно ли сваривать сталь Dual Phase?

Да, как правило, сталь DP хорошо поддаётся сварке, однако необходимо учитывать конкретный эквивалент углерода. Хотя низкопрочные марки (DP590) легко подвергаются точечной сварке, высокопрочные марки (DP980 и выше) могут потребовать корректировки параметров сварки, например увеличения усилия электродов или использования специальных импульсных режимов, чтобы предотвратить хрупкое разрушение в зоне термического влияния сварного шва.