Свойства стали для прессового упрочнения: техническое руководство по прочности и формованию

Краткое содержание

Сталь для термического упрочнения (PHS), также известная как сталь горячей штамповки или бористая сталь, представляет собой сверхпрочный сплав (обычно 22MnB5), предназначенный для элементов безопасности автомобилей. Она поставляется в пластичном феррито-перлитном состоянии (предел текучести ~300–600 МПа), но после нагрева до ~900 °C и закалки в охлаждаемой матрице превращается в чрезвычайно твёрдую мартенситную структуру (предел прочности при растяжении 1300–2000 МПа). Данный процесс исключает пружинение, позволяет создавать сложные геометрические формы и обеспечивает значительное снижение массы критически важных элементов конструкции, предназначенных для поглощения энергии при аварии, таких как стойки A и бамперы.

Что такое сталь для термического упрочнения (PHS)?

Сталь для термомеханического упрочнения (PHS), часто называемая в автомобильной промышленности горячештампованной или горячекатаной сталью, представляет собой категорию борсодержащих сталей, подвергаемых специальной термомеханической обработке. В отличие от обычных холоднештампованных сталей, формируемых при комнатной температуре, PHS нагревают до аустенитного состояния, после чего формуют и закаливают одновременно в охлаждаемом инструменте.

Стандартным сортом для этого процесса является 22MnB5 , углеродисто-марганцево-бористый сплав. Добавление бора (обычно 0,002–0,005 %) имеет решающее значение, поскольку значительно повышает прокаливаемость стали, обеспечивая образование полностью мартенситной микроструктуры даже при умеренных скоростях охлаждения. Без бора материал может превратиться в более мягкие фазы, такие как бейнит или перлит, во время закалки, не достигнув требуемой прочности.

Фундаментальная трансформация, придающая PHS его ценность, носит микроструктурный характер. Поставляемый в виде мягкого листа ферритно-перлитной структуры, материал легко режется и обрабатывается. В процессе горячей штамповки он нагревается выше температуры аустенитизации (обычно около 900–950 °C). Когда нагретая заготовка зажимается в матрице, она охлаждается быстро (со скоростью более 27 °C/с). Такое быстрое охлаждение предотвращает образование более мягких микроструктур и превращает аустенит непосредственно в мартенсит мартенсит — самую твёрдую форму структуры стали.

Механические свойства: в поставляемом состоянии и после закалки

Для инженеров и специалистов по закупкам наиболее важным аспектом свойств сталей для горячей штамповки является значительное различие между их исходным и конечным состоянием. Эта двойственность позволяет выполнять сложное формование (в мягком состоянии) и обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики (в твёрдом состоянии).

В таблице ниже сравниваются типичные механические свойства стандартной марки 22MnB5 до и после процесса горячей штамповки:

Анализ предела текучести: Предел текучести, как правило, утраивается в ходе процесса. В то время как материал в поставляемом состоянии ведёт себя подобно стандартной строительной стали, готовый компонент становится жёстким и устойчивым к деформации, что делает его идеальным для использования в силовых элементах безопасности, защищающих от проникновения.

Твёрдость и обрабатываемость: Окончательная твёрдость 470–510 HV делает механическую обрезку или пробивку чрезвычайно трудной и приводит к быстрому износу инструмента. Следовательно, большинство операций обрезки готовых деталей из термоупрочнённой листовой стали выполняются с помощью лазерной резки (см. Технические данные SSAB ) или с использованием специальных матриц для обрезки твёрдого материала непосредственно перед тем, как деталь полностью охладится.

Распространённые марки термоупрочнённой листовой стали и химический состав

Хотя марка 22MnB5 остаётся основной в отрасли, спрос на ещё более лёгкие и прочные компоненты привёл к разработке нескольких её модификаций. Инженеры обычно выбирают марки в зависимости от баланса между максимальной прочностью и необходимой пластичностью для поглощения энергии.

• PHS1500 (22MnB5): Стандартный сорт с пределом прочности около 1500 МПа. Содержит приблизительно 0,22 % углерода, 1,2 % марганца и следы бора. Обеспечивает баланс прочности и достаточной вязкости для большинства элементов безопасности.
• PHS1800 / PHS2000: Новые сверхвысокопрочные сорта, обеспечивающие предел прочности до 1800 или 2000 МПа. Повышенная прочность достигается за счёт незначительного увеличения содержания углерода или изменения легирования (например, кремнием/ниобием), однако может снижаться вязкость. Используются в деталях, где главным приоритетом является сопротивление проникновению, например, в балках бамперов или направляющих крыши.
• Пластичные сорта (PHS1000 / PHS1200): Также известные как стали, закалённые под прессом (PQS), эти сорта (например, PQS450 или PQS550) разработаны так, чтобы сохранять более высокое удлинение (10–15 %) после закалки. Часто используются в «мягких зонах» стойки B для поглощения энергии при ударе, а не для её передачи.

Химический состав строго контролируется для предотвращения таких проблем, как водородное охрупчивание, особенно в более высоких классах прочности. Содержание углерода, как правило, поддерживается ниже 0,30%, чтобы обеспечить приемлемую свариваемость.

Покрытия и коррозионная стойкость

Не покрытая сталь быстро окисляется при нагревании до 900 °C, образуя твердый окалиновый слой, который повреждает штампы и требует абразивной очистки (дробеструйной обработки) после формовки. Чтобы избежать этого, в большинстве современных применений горячего прессования используются листы с предварительным покрытием.

Алюминий-кремний (AlSi): Это основное покрытие для прямого горячего прессования. Оно предотвращает образование окалины при нагреве и обеспечивает барьерную защиту от коррозии. Слой AlSi сплавляется с железом стали в процессе нагрева, создавая прочную поверхность, устойчивую к скользящему трению матрицы. В отличие от цинка, он не обеспечивает гальванической (самозаживляющей) защиты.

Цинковые (Zn) покрытия: Цинковые покрытия (оцинкованные или гальваннилированные) обеспечивают превосходную катодную защиту от коррозии, что особенно ценно для деталей, подвергающихся воздействию влажной среды (например, порогов). Однако стандартная штамповка при высокой температуре может вызвать Хрупкость от жидкого металла (LME) , при которой жидкий цинк проникает в границы зерен стали, вызывая микротрещины. Для безопасной обработки предварительно покрытой горячештампованной стали часто требуются специализированные «косвенные» процессы или методы «предварительного охлаждения».

Ключевые инженерные преимущества

Применение сталей, упрочняемых штамповкой, обусловлено конкретными инженерными задачами в конструкции автомобилей. Этот материал предлагает решения, которым не могут соответствовать холоднокатаные низколегированные высокопрочные стали (HSLA) или двухфазные (DP) стали.

• Сильное облегчение: Используя прочность 1500 МПа и выше, инженеры могут уменьшить толщину деталей (тоньше по толщине), не жертвуя безопасностью. Деталь, которая ранее имела толщину 2,0 мм из обычной стали, может быть уменьшена до 1,2 мм из PHS, что позволяет значительно снизить вес.
• Отсутствие пружинения: При холодной штамповке высокопрочные стали имеют тенденцию «возвращаться» в исходную форму после открытия пресс-формы, что затрудняет достижение точных размеров. При горячей штамповке формовка происходит в горячем и мягком состоянии (аустенит), а закалка — при сдерживании в матрице. Это фиксирует геометрию, практически устраняя упругое последействие и обеспечивая исключительную точность размеров.
• Сложные геометрии: Поскольку формовка происходит, когда сталь пластична (~900 °C), сложные формы с глубокой вытяжкой и малыми радиусами можно сформовать за один ход — геометрии, которые при попытке изготовления из холодной сверхвысокопрочной стали треснули бы или разорвались.

Типичные автомобильные применения

Горячештампованная сталь является предпочтительным материалом для «клетки безопасности» современных автомобилей — жесткой конструкции, предназначенной для защиты пассажиров при столкновении за счёт предотвращения деформации салона.

Ключевых компонентов

Типичные области применения включают Стойки A, стойки B, направляющие крыши, усилители тоннеля, пороги и балки против проникновения в двери . В последнее время производители начали интегрировать PHS в корпуса батарей электромобилей для защиты модулей от боковых ударов.

Настроенные свойства

Передовые методы производства позволяют применять «настроенную закалку», при которой отдельные зоны одной детали (например, нижняя часть стойки B) охлаждаются медленнее, чтобы оставаться мягкими и пластичными, в то время как верхняя часть становится полностью твердой. Такое сочетание оптимизирует деталь с точки зрения как сопротивления проникновению, так и поглощения энергии.

Для производителей, стремящихся внедрить эти передовые материалы, крайне важно сотрудничество со специализированными изготовителями. Компании, такие как Shaoyi Metal Technology предлагают комплексные решения по производству штампованных автомобильных деталей, способные удовлетворять требования к высокой тоннажности (до 600 тонн) и обеспечивать точное оснащение для сложных автомобильных компонентов — от быстрого прототипирования до массового производства в соответствии со стандартом IATF 16949.

Заключение

Свойства стальной прессовой отвердители представляют собой жизненно важное взаимодействие между металлургией и производственным процессом. Используя фазовую трансформацию от феррита к мартенситу, инженеры получают материал, который достаточно поддается формированию для сложных конструкций, но достаточно прочен, чтобы защитить жизнь. По мере того, как уровни будут развиваться в направлении 2000 МПа и выше, PHS останется краеугольным камнем стратегий автомобильной безопасности и облегчения веса.

Часто задаваемые вопросы

1. - Посмотрите. В чем разница между горячим штампованием и прессовой отвердкой?

Нет никакой разницы, термины используются взаимозаменяемо. "Стабилизация пресс-процессом" относится к металлургическому процессу отверждения, который происходит в пресс-процессе, а "горячее штампование" относится к методу формования. Оба описания описывают одну и ту же производственную последовательность, используемую для производства высокопрочных деталей из мартенситной стали.

2. Посмотрите. Почему в сталь для прессовой отверди добавляют бор?

Бор добавляется в небольших количествах (0,002–0,005 %) для значительного повышения прокаливаемости стали. Он замедляет образование более мягких микроструктур, таких как феррит и перлит, при охлаждении, обеспечивая превращение стали в полностью твёрдый мартенсит даже при скоростях охлаждения, достигаемых в промышленных штампах.

3. Можно ли сваривать сталь, подвергнутую горячему прессованию?

Да, PHS поддаётся сварке, но требует определённых параметров. Поскольку материал обычно имеет содержание углерода около 0,22 %, он совместим со сваркой сопротивлением (точечной контактной сваркой) и лазерной сваркой. Однако сварка несколько разупрочняет зону термического влияния (HAZ), что необходимо учитывать при проектировании. Для сталей с покрытием AlSi перед сваркой покрытие необходимо удалить (например, с помощью лазерной абляции) или тщательно контролировать его поведение во время сварки, чтобы предотвратить загрязнение сварочной ванны.