Vlastnosti ocelí pre tvárnenie za horúčeho: Technický sprievodca pevnosťou a tvárnosťou

ZKRATKA

Oceľ na tvrdé pretláčanie (PHS), známa aj ako horúco lisovaná alebo borovo-ocelová zliatina, je ultra-vysokopevná zliatina (zvyčajne 22MnB5), ktorá je určená pre bezpečnostné komponenty automobilov. Dodáva sa vo formovateľnom perliticko-ferritickom stave (mezná pevnosť ~300–600 MPa), no po zahriati na približne 900 °C a následnom ochladení v chladenom lisovacom nástroji prechádza do mimoriadne tvrdej martenzitickej štruktúry (pevnosť v ťahu 1300–2000 MPa). Tento proces eliminuje pružné spätné ohýbanie, umožňuje vytváranie zložitých geometrií a zároveň umožňuje výrazné zníženie hmotnosti pri kritických konštrukciách určených na absorpciu nárazu, ako sú pilieri A alebo nárazy.

Čo je oceľ na tvrdé pretláčanie (PHS)?

Ocel na tepelné spracovanie (PHS), ktorá sa v automobilovom priemysle často označuje ako horúco tlačená oceľ alebo horúco tvárnená oceľ, predstavuje skupinu borom zliatinovej ocele, ktorá prechádza špeciálnym tepelným a mechanickým tvárnením. Na rozdiel od bežných za studena tlačených ocelí, ktoré sú tvárnené pri izbovej teplote, sa PHS zohreje až do dosiahnutia austenitickej fázy a následne sa súčasne tvári a kalí v chladenom nástroji.

Štandardnou triedou pre tento proces je 22MnB5 , uhlíkovo-mangánovo-borová zliatina. Prídavok bóru (zvyčajne 0,002 – 0,005 %) je rozhodujúci, pretože výrazne zlepšuje kaliteľnosť ocele, čo zabezpečuje vytvorenie úplne martenzitického mikroštruktúry aj pri miernych rýchlostiach ochladzovania. Bez bóru by materiál počas kalenia mohol prejsť do mäkších fáz, ako je bainit alebo perlit, a nepodarilo by sa dosiahnuť cieľová pevnosť.

Základná transformácia, ktorá udeľuje PHS jeho hodnotu, je mikroštruktúrnou. Dodáva sa ako mäkký feriticko-perlitický plech, čo zaisťuje jednoduché rezanie a manipuláciu. Počas procesu horúceho tvarovania sa materiál zohreje nad teplotu austenitizácie (zvyčajne okolo 900–950 °C). Keď je horúca polotovar zatlačená do formy, ochladí sa rýchlo (rýchlosťou vyššou ako 27 °C/s). Toto rýchle ochladzovanie obíde tvorbu mäkších mikroštruktúr a premení austenit priamo na martenzit , najtvrdšiu formu ocelej štruktúry.

Mechanické vlastnosti: Dodaný stav vs. Zatvrdnutý stav

Pre inžinierov a odborníkov z oblasti nákupu je najdôležitejším aspektom vlastností ocele na horúce tvarovanie výrazný rozdiel medzi jej počiatočným a konečným stavom. Táto dualita umožňuje komplexné tvorenie (keď je mäkká) a extrémny výkon (keď je tvrdá).

Nasledujúca tabuľka porovnáva typické mechanické vlastnosti štandardnej triedy 22MnB5 pred a po procese horúceho tvarovania:

Analýza medze klzu: Medza klzu sa počas procesu zvyčajne strojnásobí. Zatiaľ čo materiál v dodanom stave vykazuje podobné vlastnosti ako štandardná konštrukčná oceľ, hotový diel je tuhý a odolný voči deformácii, čo ho robí ideálnym pre bezpečnostné košie proti vpichu.

Tvrdosť a obrobiteľnosť: Konečná tvrdosť 470–510 HV sťažuje mechanické orezávanie alebo pichanie a zvyšuje opotrebenie nástrojov. Preto sa väčšina operácií orezávania hotových PHS dielov vykonáva laserovým rezaním (pozri Technické údaje SSAB ) alebo pomocou špeciálnych nástrojov na orezávanie tvrdých materiálov tesne pred tým, ako sa diel úplne ochladí.

Bežné stupne PHS a chemické zloženie

Hoci 22MnB5 zostáva priemyselným pracovným koňom, dopyt po ešte ľahších a pevnejších komponentoch viedol k vývoju niekoľkých variantov. Inžinieri zvyčajne vyberajú triedy na základe rovnováhy medzi maximálnou pevnosťou a potrebnou tažnosťou pre absorpciu energie.

• PHS1500 (22MnB5): Štandardná trieda s pevnosťou v ťahu približne 1500 MPa. Obsahuje približne 0,22 % uhlíka, 1,2 % mangánu a stopové množstvo bóru. Poskytuje rovnováhu pevnosti a dostatočnej húževnatosti pre väčšinu bezpečnostných aplikácií.
• PHS1800 / PHS2000: Novšie triedy ultra-vysokopevnostných ocelí, ktoré posúvajú pevnosť v ťahu až na 1800 alebo 2000 MPa. Vyššiu pevnosť dosahujú mierne zvýšeným obsahom uhlíka alebo modifikovaným zliatinovým zložením (napr. kremík/niób), avšak môžu mať zníženú tažnosť. Používajú sa pre diely, kde je prioritou výlučne odolnosť proti vpichu, napríklad nárazníkové nosníky alebo strešné lišty.
• Tažné triedy (PHS1000 / PHS1200): Tiež známe ako tlačom kalené ocele (PQS), tieto triedy (ako PQS450 alebo PQS550) sú navrhnuté tak, aby po zohľadnení zachovali vyššiu tažnosť (10–15 %). Často sa používajú v „mäkkých zónach“ stĺpika B na absorbovanie energie nárazu namiesto jej prenosu.

Chemické zloženie je prísne kontrolované, aby sa predišlo problémom, ako je krehkosť vodíkom, najmä u vyšších pevnostných tried. Obsah uhlíka sa zvyčajne udržiava pod 0,30 %, aby sa zachovala primeraná zvárateľnosť.

Povlaky a odolnosť voči korózii

Neupravená oceľ sa rýchlo oxiduje pri zahriatí na 900 °C, pričom vzniká tvrdá škála, ktorá poškodzuje razníky na tvárnenie a po tvárnení si vyžaduje abrazívne čistenie (tryskanie). Aby sa tomu zabránilo, väčšina moderných aplikácií PHS používa predpokované plechy.

Hliník-kremík (AlSi): Toto je dominantná povlak pre priame horúce tvarovanie. Zabraňuje tvorbe oškálenia počas ohrevu a poskytuje bariérovú ochranu proti korózii. Vrstva AlSi vytvára zliatinu so železom ocele počas fázy ohrevu, čím vznikne pevný povrch odolný voči šmykovému treniu formy. Na rozdiel od zinku neposkytuje galvanickú (sebazahojiteľnú) ochranu.

Zinkové (Zn) povlaky: Zinkom založené povlaky (poniklované alebo galvannealované) ponúkajú vynikajúcu katodickú ochranu proti korózii, ktorá je cenná pre diely vystavené vlhkému prostrediu (napr. prahy). Avšak bežné horúce tvarovanie môže spôsobiť Kvapalnú kovovú krehkosť (LME) , pri ktorej tekutý zinok proniká hranicami zŕn ocele a spôsobuje mikrotrhliny. Často sú potrebné špecializované „nepriame“ procesy alebo techniky „predchladenia“, aby sa bezpečne spracovali fosfátované ocele s povlakom Zn.

Kľúčové inžinierske výhody

Priame použitie vlastností ocele pre tvárnenie za horúca bolo motivované konkrétnymi inžinierskymi výzvami pri návrhu vozidiel. Materiál ponúka riešenia, ktoré nevedia zvládnuť oceľové plechy tvárnené za studena s nízkym obsahom zliatin (HSLA) ani dvojfázové (DP) ocele.

• Extrémne ľahké konštrukcie: Využitím pevností 1500 MPa a vyšších môžu inžinieri znížiť hrúbku dielov (redukcia hrúbky), aniž by kompromitovali bezpečnosť. Diel, ktorý mal pôvodne hrúbku 2,0 mm zo štandardnej ocele, môže byť znížený na 1,2 mm u PHS, čím sa výrazne ušetrí hmotnosť.
• Nulový odskok: Pri studenom tvárnení majú ocele vysokých pevností tendenciu sa po otvorení lisovej formy „vrátiť“ do pôvodného tvaru, čo spôsobuje problémy s rozmerovou presnosťou. Oceľ pre tvárnenie za horúca sa tvárni za tepla a vo mäkkom stave (austenit) a kalí sa vo forme, ktorá ju drží v tvare. Tým sa geometria fixuje, čo vedie takmer k nulovému odskoku a vynikajúcej rozmerovej presnosti.
• Komplexné geometrie: Keďže tvorenie prebieha, keď je oceľ tvarovateľná (~900 °C), môžu byť vytvorené komplikované tvary s hlbokým ťahom a malými polomermi v jednom zdvihu – geometrie, ktoré by sa praskli alebo roztrhli, ak by sa pokúsili o ich výrobu za studena z ultrapevného ocele.

Typické automobilové aplikácie

PHS je preferovaný materiál pre „bezpečnostný koš“ moderných vozidiel – tuhú konštrukciu určenú na ochranu posádky pri náraze tým, že zabráni vniknutiu do kabíny.

Kľúčové komponenty

Štandardné aplikácie zahŕňajú A-stĺpy, B-stĺpy, strešné lišty, zosilnenia tunela, prahy a nosníky proti vniknutiu dverí . V poslednej dobe výrobcovia začali integrovať PHS do obalov batérií elektrických vozidiel, aby chránili moduly pred bočnými nárazmi.

Prispôsobené vlastnosti

Pokročilá výroba umožňuje „prispôsobené kalenie“, pri ktorom sú konkrétne zóny jednej súčiasti (napr. spodná časť B-stĺpa) chladené pomalšie, aby zostali mäkké a ťažké, zatiaľ čo horná časť sa stane plne tvrdou. Táto kombinácia optimalizuje súčiastku tak pre odolnosť voči vniknutiu, ako aj pre pohlcovanie energie.

Pre výrobcov, ktorí chcú implementovať tieto pokročilé materiály, je nevyhnutné spolupracovať so špecializovanými spracovateľmi. Spoločnosti ako Shaoyi Metal Technology ponúkajú komplexné riešenia pre súčiastky tvárnené lisovaním, schopné zvládnuť požiadavky na vysoké lisovacie sily (až do 600 ton) a riadiť presné nástrojové potreby pre zložité automobilové komponenty, od rýchleho prototypovania až po hromadnú výrobu podľa noriem IATF 16949.

Záver

Vlastnosti ocele tvrdené lisovaním predstavujú dôležitú synergia medzi metalurgiou a výrobným procesom. Využitím fázovej transformácie z feritu na martenzit dosahujú inžinieri materiál, ktorý je dostatočne tvárny pre zložité konštrukcie, a zároveň dostatočne pevný na ochranu života. Keď sa triedy vyvíjajú smerom k 2000 MPa a viac, bude PHS zostať kľúčovým pilierom stratégií bezpečnosti a ľahkosti automobilov.

Často kladené otázky

1. Aký je rozdiel medzi horúcim tvárnením a tvrdením lisovaním?

Nie je žiadny rozdiel; tieto termíny sa používajú zameniteľne. „Tvrdnutie tlakom“ označuje metalurgický proces tvrdenia prebiehajúci v lisu, zatiaľ čo „horúce lisovanie“ označuje spôsob tvárania. Obe pojmy opisujú rovnakú výrobnú postupnosť používanú na výrobu dielcov z vysokej pevnosti martenzitickej ocele.

2. Prečo sa do ocele na tvrdnutie tlakom pridáva bór?

Bór sa pridáva v malých množstvách (0,002–0,005 %), aby výrazne zvýšil kaliteľnosť ocele. Spomaľuje vznik mäkších mikroštruktúr, ako je ferit a perlit počas chladenia, čím zabezpečuje, že sa oceľ premení na plne tvrdý martenzit, aj pri rýchlostiach chladenia dosiahnuteľných v priemyselných lisovacích formách.

3. Možno oceľ tvrdenú tlakom zvárať?

Áno, PHS je zvárateľný, ale vyžaduje špecifické parametre. Keďže materiál má typicky obsah uhlíka približne 0,22 %, je vhodný na odporové bodové zváranie (RSW) a laserové zváranie. Zváranie však mierne zmäkčí tepelne ovplyvnenú zónu (HAZ), čo je potrebné zohľadniť pri návrhu. Pri oceliach s AlSi-povlakom je potrebné povlak odstrániť (napríklad laserovou abláciou) alebo ho starostlivo kontrolovať počas zvárania, aby nedošlo k znečisteniu zvarového priestoru.