ZKRATKA

Dual Phase (DP) ocele sú pokročilé vysoce pevné ocele (AHSS), ktoré sa vyznačujú mikroštruktúrou tvrdej martenzitickej fázy rozptýlenej v mäkkej feritovej matrici. Táto jedinečná kombinácia zabezpečuje nízky pomer medze klzu k pevnosti v ťahu (~0,6) a vysokú počiatočnú rýchlosť zpevnenia pri deformácii (n-hodnota), čo ich robí ideálnymi pre komplexné automobilové lisované diely, ktoré vyžadujú dobrú tvárniteľnosť aj odolnosť pri nárazoch. Úspešné lisovanie však vyžaduje riadenie významného pruženia späť a rizika trhlin na okrajoch. Inžinieri musia bežne zväčšiť medzery v priestupe na 12–14 % a používať tuhšie nástroje s pokročilými povlakmi, ako napríklad TiC alebo CrN, aby zvládli zvýšené zaťaženie a opotrebenie.

Mikroštruktúra a mechanické vlastnosti

Inžinierska hodnota ocele s dvojfázovou štruktúrou spočíva v jej charakteristickej dvojfázovej mikroštruktúre. Na rozdiel od ocelí s vysokou pevnosťou a nízkym obsahom zliatín (HSLA), ktoré sa spoliehajú na zpevnenie vylučovaním, DP ocele získavajú svoje vlastnosti z kompozitnej štruktúry: nepretržitá mäkká feritická matrica zabezpečuje tažnosť a rozptýlené tvrdé martenzitické ostrovy poskytujú pevnosť. Pri deformácii sa deformácia koncentruje v mäkkej feritickej fáze obklopujúcej martenzit, čo vedie k vysokému počiatočnému stupňu zpevnenia pružným tvarovaním (n-hodnota).

Táto mikroštruktúra vytvára profil mechanického správania špecificky optimalizovaný pre studené tvorenie. Zatiaľ čo HSLA triedy bežne vykazujú pomer medze klzu k pevnosti v ťahu (YS/TS) okolo 0,8, DP ocele udržiavajú omnoho nižší pomer približne 0,6. Tento nižší bod klzu umožňuje, aby plastická deformácia začala skôr, čo usnadňuje tvorbu komplexných tvarov pred dosiahnutím medze pevnosti materiálu v ťahu. Poznámka výrobcu že táto vysoká hodnota n je obzvlášť výrazná pri nižších úrovniach deformácie (4–6 %), čo pomáha rovnomerne rozložiť deformáciu po celom diele a zabráni miestnemu zužovaniu v skorých fázach zdvihu lisu.

Bežné komerčné triedy — ako napríklad DP590, DP780 a DP980 — sú definované svojimi minimálnymi pevnosťami v ťahu (v MPa). So zvyšujúcim sa objemovým podielom martenzitu rastie pevnosť v ťahu, ale klesá tažnosť. Inžinieri musia tieto faktory vyvažovať, pri čom často volia nižší podiel martenzitu pre súčiasti tvárnené ťahom a vyšší podiel pre nosníky konštrukcie, kde je najdôležitejšie predovšetkým odolnosť proti vpichu.

Výzvy pri tvárnení: Prudký návrat a trhliny na okraji

Presne tá vlastnosť, ktorá robí DP oceľ žiaducou – jej vysoká rýchlosť tvrdnutia pri deformácii – spôsobuje aj jej hlavný výrobný nedostatok: pružné návraty. Keďže materiál sa počas deformácie rýchlo tvrdne, pružné obnovovacie napätie uložené v súčiastke je výrazne vyššie ako u mäkkých ocelí. To sa prejavuje curlingom bočných stien a zmenou uhla po odobratí súčiastky z formy, čo komplikuje dosiahnutie presných rozmerov pre montáž.

Na zmierňovanie pružných návratov používajú procesní inžinieri niekoľko stratérií návrhu nástrojov. Prekrojenie povrchov nástroja umožňuje materiálu uvoľniť sa do správnej geometrie. Navyše, návrh stien s výstupkami alebo zosilneniami môže uzamknúť geometriu do požadovaného tvaru. Pokročilejšou technikou je vytvorenie vysokého predpätia na konci zdvihu lisu, čím sa znížia zostávajúce tlakové napätia a efektívne „zafixuje“ tvar.

Okrajové trhliny sú ďalším kritickým režimom porúch, najmä počas operácií vytvárania flangy pri ťahacom tvárnení. Rozdiel v tvrdosti medzi mäkkým feritom a tvrdým martenzitom spôsobuje koncentráciu napätia na strihaných okrajoch, čo vedie k vzniku mikropor, ktoré sa môžu spojiť do trhlín. SSAB odporúča použiť špeciálne značky „Dual Phase High Formability“ (DH) pre geometrie vyžadujúce hlboké ťahanie alebo natiahnuté okraje. Tieto AHSS značky 3. generácie využívajú TRIP-asistované mikroštruktúry (s retinutým austenitom) na zachovanie tvárnosti pri vyšších úrovniach deformácie, čím ponúkajú lepšiu odolnosť voči trhlinám na okrajoch v porovnaní so štandardnými DP značkami.

Smernice pre návrh nástrojov a diel

Lisovanie ocele Dual Phase vyžaduje zásadné prehodnotenie štandardných parametrov nástrojov používaných pre mäkkú oceľ alebo HSLA. Najdôležitejšou úpravou je vůľa medzi piestom a matricou. Štandardné vôle približne 9 % hrúbky materiálu často vedú k vážnemu roztrhávaniu okrajov u DP ocelí v dôsledku vysokého strižného pevnostného limitu materiálu.

Dáta od Tata Steel ukazuje, že zvýšenie výstupného priestoru na 12–14%výrazne zlepšuje kvalitu hrany. V jednej štúdii sa zvýšením výstupného priestoru z 9 % na 12 % znížila miera rozpadania dielov z 22 % takmer na nulu. Táto väčšia medzera mení stav napätia na reznom okraji a tým znižuje tendenciu k šíreniu mikrotrhlín do príruby.

Rýchlejšie dochádza aj k opotrebeniu nástroja. Vysoké kontaktné tlaky potrebné na tvárnenie DP ocele – často presahujúce 600 ton pre konštrukčné komponenty – môžu spôsobiť priľnavosť materiálu a rýchle poškodzovanie nástrojov. Nástrojové ocele je nutné pokrývať tvrdými povrchovými úpravami s nízkym trením, ako je karbid titánu (TiC) alebo dusitan chrómu (CrN), aby sa predĺžili intervaly údržby. Okrem toho musí mať lis sám o sebe dostatočnú tuhosť, aby sa zabránilo deformácii pri týchto vysokých zaťaženiach, čo by inak negatívne ovplyvnilo tolerancie dielov.

Pre výrobcov, ktorí čelia týmto zvýšeným požiadavkám na vybavenie, je často najefektívnejšou cestou spolupráca so špecializovaným poskytovateľom výroby. Shaoyi Metal Technology ponúka komplexné riešenia pre tvárnenie ktoré prekonávajú priepasť medzi prototypovaním a hromadnou výrobou. So schopnosťami lisov až do 600 ton a certifikáciou IATF 16949 sú vybavené na zvládnutie náročných požiadaviek na zaťaženie a presnosť pokročilých ocelí s vysokou pevnosťou, ako sú DP a DH triedy pre kritické komponenty, ako sú riadiace ramená a rámiky.

Zníženie tvrdosti a konečný výkon

Jednou z ukrytých výhod ocele Dual Phase je jej efekt „znižovania tvrdosti“ (BH). Tento jav nastáva počas procesu vytvrdzovania automobilovej farby, zvyčajne približne 170 °C po dobu 20 minút. Počas tohto tepelného procesu sa voľné atómy uhlíka v mikroštruktúre ocele difundujú a fixujú dislokácie vzniknuté počas tvárnenia.

Tento mechanizmus výrazne zvyšuje medznú pevnosť — zvyčajne o 50 až 100 MPa — bez vplyvu na rozmery súčiastky. Tento zvýšený štatický odpor umožňuje automobilovým inžinierom „zmenšiť kaliber“ (použiť tenšie materiály) na zníženie hmotnosti vozidla, pričom zároveň zabezpečuje, že konečná súčiastka spĺňa ciele pre bezpečnosť pri náraze. Kombinácia tvrdnutia v tlačiarni a náterového tvrdnutia v lakovnej dielni dáva konečnej súčiastke výnimočnú schopnosť absorbovať energiu, čo robí oceľ DP štandardnou voľbou pre komponenty bezpečnostnej gondely, ako sú stĺpy B, strešné lišty a priečky.

Záver: Optimalizácia výroby AHSS

Dual Phase oceľ predstavuje kritický bod rovnováhy v modernej automobilovej technike, pričom ponúka pevnosť potrebnú na splnenie bezpečnostných noriem a súčasne dostatočnú tažnosť zabezpečujúcu výrobnú realizovateľnosť. Hoci tento materiál prináša špecifické výzvy – najmä pokiaľ ide o riadenie pružného návratu a opotrebovanie nástrojov – tieto sa dajú účinne prekonať prostredníctvom návrhu dielňových foriem riadeného dátami a vhodného výberu lisov. Respektovaním jedinečnej fyziky ferit-martenzitovej mikroštruktúry a úpravou parametrov, ako je medzera v kalibri, na odporúčaný rozsah 12–14 %, môžu výrobcovia plne využiť potenciál tohto univerzálneho materiálu na úsporu hmotnosti a zvýšenie výkonu.

Často kladené otázky

1. Ako sa Dual Phase oceľ líši od HSLA ocele?

Zatiaľ čo oceľ High-Strength Low-Alloy (HSLA) využíva mikrolegovacie prvky na tvrdnutie výparom, oceľ Dual Phase (DP) využíva dvojfázovú mikroštruktúru feritu a martenzitu. To dáva oceli DP nižší pomer medze klzu k pevnosti v ťahu (~0,6 oproti 0,8 pre HSLA) a vyššiu počiatočnú rýchlosť tvrdnutia pri deformácii, čo umožňuje lepšiu tvárniteľnosť pri ekvivalentných pevnostiach v ťahu.

2. Aké je odporúčané výrezové vôle pre razenie ocele DP?

Štandardné výrezové vôle používané pre mäkkú oceľ (približne 9 %) sú zvyčajne príliš malé pre oceľ DP a môžu spôsobiť trhliny na okraji. Odvetvové osvedčené postupy odporúčajú zväčšiť výrezové vôle na 12–14%hrúbky materiálu, aby sa zlepšila kvalita okraja a životnosť nástroja.

3. Čo spôsobuje pružný návrat (springback) v oceli Dual Phase?

Prúžok je spôsobený vysokou elasticitou materiálu po tvárnení. Vysoká rýchlosť zpevňovania pri deformácii ocele DP znamená, že počas deformácie ukladá významnú pružnú energiu. Keď sa forma otvorí, táto energia sa uvoľní a spôsobí, že diel skočí späť alebo sa ohne. Tento jav je potrebné kompenzovať cez nadmerné zaoblenie alebo opätovné pretlačenie pri návrhu formy.

4. Dá sa oceľ Dual Phase zvárať?

Áno, ocele DP majú vo všeobecnosti dobrú zvárateľnosť, no treba zohľadniť konkrétny uhlíkový ekvivalent. Zatiaľ čo ocele nižšej pevnosti (DP590) sa dajú jednoducho bodovo zvárať, ocele vyššej pevnosti (DP980 a vyššie) môžu vyžadovať úpravu zváracích parametrov, ako napríklad zvýšenie sily elektród alebo použitie špecifických impulzných režimov, aby sa zabránilo krehkému lomu v oblasti tepelne ovplyvnenej zóny zvaru.