POVZETEK

Dvofazna (DP) jekla so napredna jekla z visoko trdnostjo (AHSS), ki jih označuje mikrostruktura s trdimi otoki martenzita, razpršenimi v mehki feritni osnovi. Ta edinstvena kombinacija omogoča nizek razmerje med mejno plastičnosti in natezno trdnostjo (~0,6) ter visoko začetno stopnjo utrjevanja ob obdelavi (vrednost n), kar jih naredi idealnimi za zapletena avtomobilska žiganja, ki zahtevajo tako oblikovalnost kot varnost pri trku. Uspešno žiganje pa zahteva upravljanje značilnega povratnega ukrivljanja in tveganj razpokanja robov. Inženirji morajo ponavadi povečati reže kalibrov na 12–14 % ter uporabiti tognejše orodje z naprednimi prevlekami, kot sta TiC ali CrN, da se soočijo z višjimi obremenitvami in hitrostjo obrabe.

Mikrostruktura in mehanske lastnosti

Inženirsko pomembnost dvojnofaznega jekla leži v njegovi značilni dvofazni mikrostrukturi. Za razliko od visoko trdnih nizkolegiranih (HSLA) jekel, ki se zanašajo na utrjevanje s izločanjem, lastnosti DP jekel izvirajo iz kompozitne strukture: neprekinjeni mehki feritni matriks zagotavlja duktilnost, dispergirani trdi martenzitski otoki pa zagotavljajo trdnost. Med oblikovanjem se deformacija koncentrira v mehkejši feritni fazi okoli martenzita, kar povzroči visoko začetno hitrost utrjevanja pri plastični deformaciji (vrednost n).

Ta mikrostruktura ustvari profil mehanskega vedenja, posebej optimiran za hladno oblikovanje. Medtem ko HSLA sorta običajno kaže razmerje med mejno jakostjo in natezno trdnostjo (YS/TS) približno 0,8, DP jekla ohranjajo bistveno nižje razmerje okoli 0,6. Ta nižja meja plastičnosti omogoča, da se plastična deformacija začne prej, kar olajša oblikovanje kompleksnih oblik, preden material doseže svojo maksimalno natezno trdnost. Opomba izdelovalca da je ta visok n-vrednost posebej izrazita pri nižjih območjih raztezanja (4–6 %), kar pomaga enakomerno porazdeliti obremenitev po celotnem delu in prepreči lokalno ožanje že v zgodnjih fazah tlačnega hoda.

Pogoste komercialne sorte, kot so DP590, DP780 in DP980, so določene z njihovo minimalno natezno trdnostjo (v MPa). Ko se delež martenzita povečuje, se natezna trdnost povečuje, elastičnost pa se naravno zmanjšuje. Inženirji morajo uravnotežiti te dejavnike, pogosto izberejo nižje deleže martenzita za globoko vlečene dele in višje deleže za strukturne nosilce, kjer je ključna zmogljivost proti prodiranju.

Težave pri žiganju: povratno upogibanje in razpoke na robovih

Značilnost, ki čini DP jeklo zaželeno – visoka stopnja utrujanja pri obdelavi – prinaša tudi glavno napako pri izdelavi: odskoč. Ker material hitro trdi med deformacijo, je elastični povračni napetost shranjen v delu znatno višja kot pri mehkih jeklih. To se kaže v zvijanju stranskih sten in spremembi kota, ko del odstranimo iz kalupa, kar zaplete zagotavljanje dimenzionalne natančnosti za sestavo.

Za zmanjšanje odskoka uporabljajo procesni inženirji več strategij oblikovanja kalupa. Prekomerno ukrivljenje površin kalupa omogoča materialu, da se sprosti v pravilno geometrijo. Dodatno lahko zasnovi stene z rebri ali okrepitvami, ki zaklenejo geometrijo na mestu. Naprednejša tehnika vključuje ustvarjanje visokega raztezka na koncu koraka tlačnega oblikovanja, da se zmanjša preostali tlačni napetost, kar učinkovito »nastavi« obliko.

Razpokanje robov je še en kritičen način verskanja, zlasti med operacijami raztezanja robov. Razlika v trdosti med mehkim feritom in trdim martenzitom ustvarja koncentracije napetosti na striženih robovih, kar vodi do mikropolnosti, ki se lahko združijo v razpoke. SSAB priporoča uporabo specializiranih sort »Dual Phase High Formability« (DH) za geometrije, ki zahtevajo globoko vlečenje ali raztegnjene robove. Te sorte AHSS tretje generacije uporabljajo mikrostrukturo s pomočjo učinka TRIP (z ohranjenim austenitom), da ohranijo oblikovalnost pri višjih stopnjah raztezanja ter ponujajo odlično odpornost proti razpokanju robov v primerjavi s standardnimi DP sortami.

Smernice za oblikovanje orodij in kalibrov

Kovanje dvojne faze jekla zahteva temeljit pregled standardnih parametrov orodij, uporabljenih za mehko jeklo ali HSLA. Najpomembnejša prilagoditev je presledek matrice. Standardni presledki okoli 9 % debeline kovine pogosto povzročajo hud razcep robov pri DP jeklu zaradi visoke strižne trdnosti materiala.

Podatki iz Tata Steel kaže, da povečanje odmika noža na 12–14%znatno izboljša kakovost roba. V enem primeru je povečanje odmika z 9 % na 12 % zmanjšalo delež razpokanih delov z 22 % na skoraj nič. Ta večji odmik spremeni stanje napetosti na rezilnem robu in zmanjša nagnjenost k širjenju mikropraskov v pritrdni rob.

Tudi obraba orodja se pospeši. Visoki kontaktne tlake, potrebne za oblikovanje DP jekla—ki pogosto presegajo 600 ton za strukturne komponente—lahko povzročijo zalepljanje in hitro obrabo kalibrov. Orodna jekla je treba prevleči s trdimi, nizkotrenjskimi površinskimi prevlekami, kot sta karbid titanija (TiC) ali nitrid kroma (CrN), da se podaljšajo intervali vzdrževanja. Prav tako mora imeti stiskalnica dovolj togost, da prepreči upogib pod temi visokimi obremenitvami, kar bi sicer ogrozilo dopustne tolerance delov.

Za proizvajalce, ki se soočajo s temi povišanimi zahtevami opreme, je sodelovanje s specializiranim ponudnikom izdelave pogosto najučinkovitejša pot. Podjetje Shaoyi Metal Technology ponuja celovite rešitve za kovanje ki premostijo vrzel od prototipiranja do serijske proizvodnje. Z možnostmi stisk z do 600 ton in certifikacijo IATF 16949 so opremljeni za zahtevne pogoje glede obremenitve in natančnosti naprednih jekel visoke trdnosti, kot so razredi DP in DH za kritične komponente, kot so npr. vodilni roki in podokvirji.

Zakorovinjenje in končna zmogljivost

Ena skrita prednost jekla z dvojno fazo je učinek "Zakorovinjenja" (ZK). Ta pojav se zgodi med ciklusom utrjevanja barve na avtomobilu, običajno okoli 170 °C za 20 minut. Med tem termičnim procesom se prosti atomi ogljika v mikrostrukturi jekla razširijo in zakovajo dislokacije, ki nastanejo med žigosanjem.

Ta mehanizem povzroči znatno povečanje trdnosti pri raztezanju—običajno za 50 do 100 MPa—brez vpliva na dimenzije delov. To povečanje statične trdnosti omogoča avtomobilskim inženirjem »zmanjšati debelino« (uporabiti tanjši material), da zmanjšajo težo vozila, hkrati pa zagotovijo, da končni del izpolnjuje cilje varnosti pri trku. Kombinacija utrjevanja s plastično deformacijo v tlačnici in utrjevanja v barvni peči daje končnemu sestavnemu delu izredno sposobnost absorpcije energije, zaradi česar je DP jeklo standardna izbira za komponente varnostne gondole, kot so stebri B, strešni vodniki in prečni nosilci.

Zaključek: Optimizacija za proizvodnjo AHSS

Dvojnofazna jekla predstavljajo ključno točko ravnotežja v sodobnem avtomobilskem inženirstvu, saj ponujajo trdnost, potrebno za varnostne standarde, in duktilnost, potrebno za izdelovalno izvedljivost. Čeprav material povzroča določene izzive – zlasti pri upravljanju povratnega ukrivljanja in obrabi orodja – jih je mogoče učinkovito premostiti s kakovostnim načrtovanjem orodij na podlagi podatkov in primerno izbiro stiskal. S spoštovanjem edinstvene fizike mikrostrukture ferit-martenzit in prilagoditvijo parametrov, kot je reža med bati, na priporočen obseg 12–14 %, lahko proizvajalci v celoti izkoristijo potencial tega vsestranskega materiala za zmanjšanje mase in izboljšanje zmogljivosti.

Pogosta vprašanja

1. V čem se dvojnofazno jeklo razlikuje od HSLA jekla?

Medtem ko se visoko trdne nizko zlitinske (HSLA) jekla oslanjajo na mikrozlitinske elemente za izločanje trdnjenja, se dvojni fazi (DP) jekla oslanjajo na dvofazno mikrostrukturo ferita in martenzita. To DP jeklu omogoča nižji razmerje med donosno trdnostjo in vlečno trdnostjo (~0,6 proti 0,8 pri HSLA) ter višjo začetno hitrost utrujanja, kar omogoča boljšo oblikovalnost pri enakovredni vlečni trdnosti.

2. Kakšna je priporočena reža orodja za žiganje DP jekla?

Standardne reže orodij, uporabljene pri mehkih jeklih (okoli 9 %), so običajno premajhne za DP jeklo in lahko povzročijo razpokane robove. Priporočila najboljših praks v industriji predlagajo povečanje reže orodja na 12–14%debeline materiala, da se izboljša kakovost roba in življenjska doba orodja.

3. Kaj povzroča povratno upogibanje pri dvojnem fazi jeklu?

Povratno natezanje je posledica visoke elastične obnovitve materiala po oblikovanju. Zaradi visoke stopnje utrjevanja pri obdelavi DP jekla se med deformacijo shrani znatna elastična energija. Ko se kalup odpre, se ta energija sprosti in povzroči povratno natezanje ali ukrivljanje delov. To je treba kompenzirati z dodatnim zakrivljanjem ali ponovnim udarom v konstrukciji kalupa.

4. Ali se dvojno fazno jeklo da zvariti?

Da, DP jekla imajo na splošno dobro zvarljivost, vendar je treba upoštevati specifično ekvivalentno vsebnost ogljika. Medtem ko se nižje trdnostne sorte (DP590) preprosto točkovno zvarijo, lahko za višje trdnostne sorte (DP980 in višje) zahtevajo prilagoditve parametrov zvarjenja, kot so povečana sila elektrod ali posebni urniki impulzov, da se preprečijo krhke lomljenja v conah toplotnega vpliva zvara.