POVZETEK

The postopek vročega žigosanja s primanjem (znan tudi kot utrjevanje pod tlakom) je termični oblikovalni postopek, ki nizkolegirano jeklo z borom—običajno 22MnB5 —pretvori iz feritno-perlitne mikrostrukture (~600 MPa) v popolnoma martenzitsko stanje (~1500 MPa). To preobrazbo dosežemo tako, da predelavek segrejemo na temperature avstenitizacije ( 900–950°C ) in ga nato oblikujemo ter ohladimo znotraj vodno hlajene kalupne forme pri hitrostih, ki presegajo 27°C/s . Postopek omogoča izdelavo zapletenih, lahkih avtomobilskih komponent z izjemno visoko trdnostjo in brez povratnega ukrivljanja, kot so stebrišča B in strešni nosilci.

Fizika vročega žigosanja: neposredni in posredni postopki

Vroče žigosanje ni enoten postopek; razdeljen je na dva ločena pristopa— Direktno in Neposredno —določeno glede na to, kdaj se oblikovanje zgodi v razmerju do toplotnega cikla. Razumevanje razlike je ključno za inženirje procesov pri izbiri opreme za določene geometrije delov.

Neposredno vroče kovanje

Neposredni postopek je industrijski standard za večino strukturnih komponent zaradi učinkovitosti. V tem zaporedju se ravno ploščo najprej segreje v peči na približno 900–950°C da se doseže homogena avstenitična struktura. Vroča plošča se nato hitro prenese (ponavadi v manj kot 3 sekundah) v stiskalnico, kjer se hkrati oblikuje in kalji v ohlajenem orodju. Ta metoda je cenovno učinkovita, vendar omejena s plastičnostjo materiala pri visokih temperaturah; ekstremne globine vlečenja lahko povzročijo zmanjšanje debeline ali razpoke.

Posredno vroče kovanje

Za dele z izjemno zapletenimi geometrijami, ki presegajo meje plastičnosti jekla v vročem stanju, se uporablja posredni postopek. Tukaj se plošča hladno oblikuje do skoraj končne oblike (90–95 % zaključeno) pred segrevanjem. Predoblikovani del se nato austenitizira v specializirani peči in prenese v stiskalnico za končno kalibracijo in hladilni postopek. Čeprav to omogoča bolj zapletene oblike, znatno poveča čas cikla in kapitalske stroške zaradi dodatne faze hladnega žiganja ter potrebe po 3D sistemih za rokovanje v pečeh.

Metalurška transformacija: Pretvorba 22MnB5 v martenzit

Osnovna vrednost vročega žiganja leži v mikrostrukturni fazni transformaciji 22MnB5 jekla. V prvotnem stanju to borom zlitino jeklo kaže feritno-perlitno mikrostrukturo z mejno trdnostjo približno 350–550 MPa in natezno trdnostjo okoli 600 MPa. Inženiring procesa se osredotoča na upravljanje treh ključnih spremenljivk za spreminjanje te strukture.

1. Austenitizacija

Jeklo je treba segreti nad zgornjo kritično temperaturo (Ac3), ponavadi okoli 850 °C , čeprav se nastavitvene točke procesa pogosto gibljejo med 900°C do 950°C da se zagotovi popolna transformacija. Med časom zadrževanja (običajno 4–10 minut, odvisno od debeline in vrste peči) ogljik vstopi v trdno raztopino in tvori avstenit. Ta ploskovno centrirana kubična (FCC) struktura je duktilna, kar omogoča zapleteno oblikovanje s nižjo silo v primerjavi s hladnim žigosanjem.

2. Vloga borona in hitrosti hlajenja

Boron se dodaja zlitini (0,002–0,005 %), da se namerno zakasni nastanek ferita in perlitov med hlajenjem. Ta zakalenostni sredstvo omogoča, da se jeklo ohladi v nadzorovani meri – ponavadi >27°C/s (kritična hitrost hlajenja) – da se izogne konici krivulje bainita in se neposredno pretvori v martenzit . Če hitrost hlajenja pade pod to mejo, nastanejo mehkejše faze, kot je bainit, kar poslabša končno trdnost.

3. Rešitev Al-Si prevleke

Pri temperaturah nad 700 °C se goli jeklo hitro oksidira in oblikuje trdo skalo, ki poškoduje orodja ter zahteva naknadno pičenje s kovinskimi kroglicami. Za zmanjšanje tega vpliva industrijsko standardni materiali, kot je Usibor 1500P uporabljajo predhodno nanašano aluminij-evtseničasto (Al-Si) prevleko. Med segrevanjem ta prevleka z osnovnim materialom ustvari difuzijski sloj Fe-Al-Si, ki preprečuje nastajanje skale in dekarburacijo. To inovacijo odpravlja potrebo po zaščitnih atmosferah v pečeh in naknadnih korakih čiščenja ter poenostavi proizvodno linijo.

Proizvodna linija: ključna oprema in parametri

Uvedba vroče žigosne linije zahteva specializirano strojno opremo, sposobno upravljati z ekstremnimi toplotnimi gradienti in visokimi silami. Vlaganje kapitala je znatno, pogosto pa zahteva strategična partnerstva za izdelavo prototipov in dodatno proizvodnjo.

• Tehnologija peči: Valjaste peči so standard za neposredno vroče kaljenje pri visokih količinah. Za zagotovitev enotnih mehanskih lastnosti morajo ohranjati enakomerno temperaturo z natančnostjo ±5 °C. Pri posredni metodi ali pri nižjih količinah se lahko uporabljajo komorne peči. Skupen čas zadrževanja je odvisen od debeline ploščata in se običajno izračuna kot t = (debelina × konstanta) + osnovni čas , kar pogosto pomeni 4–6 minut za standardne debeline.
• Hidravlične in servo prese: Za razliko od hladnega tiskanja, mora presa ostati v spodnjem položaju, da del pritiska proti ohlajenim površinam orodja. Hidraulično aLI servo-hidravlične presse so prednostne zaradi njihove sposobnosti, da uporabijo in ohranijo največjo nosilnost (pogosto 800–1200 ton) za zahtevani čas kaljenja (5–10 sekund). Skupni ciklusni čas se običajno giblje med 10 in 30 sekundami.
• Orodje in kanali za hlajenje: Kalup je izmenjevalnik toplote. Morajo biti vgrajeni zapleteni notranji kanali za hlajenje (pogosto izvrtani ali natisnjeni s 3D tiskom), da se po njih hitro giblje voda. Cilj je hitro odvzeti toploto in ohraniti temperaturo površine orodja pod 200 °C, kar zagotavlja učinkovito kaljenje.
• Laserjsko obrezovanje: Ker ima končni del natezno trdnost približno 1500 MPa, se tradicionalna mehanska orodja za obrezovanje skoraj takoj obrabijo. Zato je laserjsko obrezovanje (običajno s 5-osnimi vlaknastimi laserji) standardna metoda za rezanje lukenj in končnih obrob po oblikovanju.

Za proizvajalce, ki prehajajo iz prototipa na masovno proizvodnjo, lahko zapletenost te opremne verige predstavlja oviro. Izkoriščanje Rešitve za žigosanje podjetja Shaoyi Metal Technology lahko zamaši to vrzel. Njihove zmogljivosti, ki vključujejo natančno tlačno obdelavo do 600 ton in skladnost s standardi IATF 16949, zagotavljajo potrebno inženirsko infrastrukturo za overitev procesnih parametrov in povečanje proizvodnje brez takojšnjih velikih kapitalskih vlaganj.

Napredne aplikacije: Prilagojene lastnosti in mehke cone

Sodobni varnostni dizajn vozil pogosto zahteva, da posamezna komponenta kaže dvojne lastnosti: visoko odpornost proti prodoru (trdo) in visoko absorpcijo energije (mehko). Vroče kaljenje to omogoča prek Prilagojene lastnosti .

Tehnologije mehkih con

Z nadzorom hitrosti hlajenja v določenih območjih orodja lahko inženirji preprečijo martenzitsko transformacijo v lokaliziranih conah. Na primer, stebrišče B morda potrebuje popolnoma martenzitski zgornji del (1500 MPa), da zaščiti glavo potnika, medtem ko naj bo spodnji del mehkejši in duktilen (500–700 MPa), da absorbira energijo pri bokovnem trku. To se doseže z izolacijo določenih delov orodja ali z uporabo grelnikov, ki ohranjajo temperaturo orodja nad začetno temperaturo martenzita (Ms), kar omogoči nastanek bainita ali ferita.

Prilagojeni zavareni polizdelki (TWBs)

Drugi pristop vključuje lasersko varjenje dveh različnih jeklenih sort ali debelin pred postopkom vročega žiganja. Surovina lahko združuje pločevino iz borovega jekla z duktilno pločevino iz HSLA jekla. Ko se obdela s postopkom vročega žiganja, trdi stran iz borovega jekla, medtem ko stran iz HSLA jekla ohranja duktilnost, kar ustvari del z različnimi zmogovnimi conami brez zapletenih sistemov za segrevanje orodij.

Strateška analiza: Prednosti, slabosti in stroški

Odločitev za uvedbo vročega žiganja vključuje zapleteno ravnotežje med zmogljivostjo in stroški. Naslednja analiza poudarja ključne dejavnike pri odločanju za avtomobilske inženirje.