Lastnosti jekla za tlačno utrjevanje: Tehnični vodnik po moči in oblikovalnih lastnostih

POVZETEK

Jeklo za točkovno utrjevanje (PHS), znan tudi kot vroče žigosano ali borovo jeklo, je zelo trdota legura (ponavadi 22MnB5), zasnovana za varnostne komponente v avtomobilski industriji. Dostavlja se v raztegljivem feritno-perlitnem stanju (trdnost pri raztezanju ~300–600 MPa), a se po segrevanju na ~900 °C in ohlajanju v ohlajeni kalup transformira v izjemno trdo martenzitsko strukturo (trdnost pri raztezanju 1300–2000 MPa). Ta proces odpravi povratno upogibanje, omogoča kompleksne geometrije in znatno zmanjšanje mase pri kritičnih konstrukcijah za trke, kot so A-stebri in prednji pokrovi.

Kaj je jeklo za točkovno utrjevanje (PHS)?

Jeklo za tlačno kaljenje (PHS), ki se v avtomobilski industriji pogosto imenuje vroče žgano jeklo ali vroče oblikovano jeklo, predstavlja kategorijo borom zlitih jekel, ki prehajajo specializiran toplotni in mehanski proces oblikovanja. Za razliko od konvencionalnih v hladu žganih jekel, ki se oblikujejo pri sobni temperaturi, se PHS segreva, dokler ne doseže austenitnega stanja, nato pa se hkrati oblikuje in kaljeno znotraj ohlajenega orodja.

Standardna kakovost za ta proces je 22MnB5 , karbonsko-manganovo-borno zlitina. Dodatek bora (običajno 0,002–0,005 %) je ključen, saj bistveno izboljša kaljivost jekla in zagotavlja, da se lahko doseže popolnoma martenzitska mikrostruktura tudi pri zmernih hitrostih hlajenja. Brez bora bi se material med fazo kaljenja lahko pretvoril v mehkejše faze, kot sta bainit ali perlit, in s tem ne bi dosegel ciljne trdnosti.

Osnovna transformacija, ki daje PHS njegovo vrednost, je mikrostrukturna. Dostavljen kot mehak feritno-perlitni list, je material enostavno rezati in rokovanje z njim je lahko. Med postopkom vročega kaljenja se segreje nad temperaturo austenitizacije (običajno okoli 900–950 °C). Ko se vroči polizdelek stisne v orodje, se hitro ohladi (s hitrostmi, ki presegajo 27 °C/s). To hitro hlajenje izogne nastanku mehkejših mikrostruktur in neposredno pretvori austenit v martenzit , najtršo obliko jeklene strukture.

Mehanske lastnosti: v dostavljenem stanju proti zakalenemu

Za inženirje in strokovnjake za nabavo je najpomembnejši vidik lastnosti jekla za vroče kaljenje velika razlika med njegovim začetnim in končnim stanjem. Ta dualnost omogoča zapleteno oblikovanje (ko je mehko) in izjemno zmogljivost (ko je trdo).

Spodnja tabela primerja tipične mehanske lastnosti standardne sorte 22MnB5 pred in po postopku vročega kaljenja:

Analiza meje plastičnosti: Meja plastičnosti se med procesom običajno potroji. Medtem ko se izdelek v dobavljenem stanju obnaša podobno kot standardna konstrukcijska jekla, postane dokončan del trd in odporen proti deformacijam, kar ga naredi idealnega za varnostne klete proti prodoru.

Trdota in obdelovanje: Končna trdota 470–510 HV naredi mehansko obrezovanje ali perforiranje zelo težko in nagnjeno k obrabi orodja. Zato se večina operacij obrezovanja dokončanih PHS delov izvaja s laserskim rezanjem (glej Tehnični podatki SSAB ) ali s posebnimi orodji za striženje trdih delov takoj preden del popolnoma ohladi.

Pogoste sorte PHS in kemična sestava

Čeprav 22MnB5 ostaja temeljna sorta v industriji, je povpraševanje po še lažjih in trših komponentah pripeljalo do razvoja več različic. Inženirji običajno izberejo sorte glede na ravnovesje med maksimalno trdnostjo in potrebno duktilnostjo za absorpcijo energije.

• PHS1500 (22MnB5): Standardna kakovost z natezno trdnostjo približno 1500 MPa. Vsebuje približno 0,22 % ogljika, 1,2 % mangan in sledi borja. Ravnotežje med trdnostjo in zadostno žilavostjo omogoča uporabo pri večini varnostnih aplikacij.
• PHS1800 / PHS2000: Novejše izredno visokotrdne kakovosti, ki povišajo natezno trdnost do 1800 ali 2000 MPa. Višjo trdnost dosegajo s povečanim deležem ogljika ali spremenjenim legiranjem (npr. silicij/niobij), vendar imajo lahko zmanjšano žilavost. Uporabljajo se za dele, kjer je edina prednost odpornost proti prodiranju, kot so nosilci para ali strešni vodniki.
• Duktilne kakovosti (PHS1000 / PHS1200): Poznane tudi kot tlakom kaljene jekla (PQS), te kakovosti (kot PQS450 ali PQS550) so zasnovane tako, da ohranijo višjo razteznost (10–15 %) po zakalenju. Pogosto se uporabljajo v »mekskih conah« stebra B, da absorbirajo energijo trka namesto da bi jo prenašale.

Kemična sestava je strogo nadzorovana, da se preprečijo težave, kot je krpavost zaradi vodika, zlasti pri višjih stopnjah trdnosti. Vsebnost ogljika se praviloma ohranja pod 0,30 %, da se ohrani razumna zavarljivost.

Prevleke in odpornost proti koroziji

Neobdelan jeklo se hitro oksidira ob segrevanju na 900 °C, pri čemer nastane trda skala, ki poškoduje orodja za žigosanje in zahteva brušenje (pihljanje) po oblikovanju. Da se temu izognemo, večina sodobnih aplikacij PHS uporablja predprevlečene pločevine.

Aluminij-silicij (AlSi): To je prevladujoča prevleka za neposredno vroče žigosanje. Preprečuje nastajanje scale med segrevanjem ter zagotavlja barierno zaščito pred korozijo. Plast AlSi se med segrevanjem zlije s železom jekla in ustvari trdno površino, ki zdrži drsno trenje orodja. Za razliko od cinka ne ponuja galvanske (samozaoživljanje) zaščite.

Cinkovе (Zn) prevleke: Prevleke na osnovi cinka (cinkane ali galvanizirane) ponujajo odlično katodno zaščito pred korozijo, kar je pomembno za dele, izpostavljene vlažnim okoljem (na primer pragovi). Vendar standardno vroče kaljenje lahko povzroči Tekočinsko kovinsko krhko lomljenje (LME) , pri katerem tekoči cink prodre v meje zrn jekla in povzroči mikropokine. Za varno obdelavo prevlečenega tlakovno utrjenega jekla so pogosto potrebni specializirani »indirektni« postopki ali tehnike »predhlajevanja«.

Ključne inženirske prednosti

Uveljavitev lastnosti tlakovno utrjenih jekel je bila posledica določenih inženirskih izzivov pri oblikovanju vozil. Ta material ponuja rešitve, ki jih ne morejo zagotoviti hladno žgani jekla z visoko trdnostjo in nizko lego (HSLA) ali dvofazna (DP) jekla.

• Izjemno zmanjšanje mase: Z uporabo trdnosti 1500 MPa ali več lahko inženirji zmanjšajo debelino delov (zmanjšanje debeline), ne da bi ogrozili varnost. Del, ki je bil prej debel 2,0 mm v standardnem jeklu, se lahko zmanjša na 1,2 mm v PHS, kar pomeni znatno prihranek mase.
• Nič odpada (zero springback): Pri hladnem žeganju se jekla z visoko trdnostjo po odpiranju orodja navadno »vračajo« v prvotno obliko, kar otežuje doseganje dimenzijske natančnosti. Pri termoumreževanju (PHS) pride do oblikovanja, ko je jeklo vroče in mehko (austenit), nato pa utrjuje pod omejitvijo v orodju. To zaklene geometrijo na mestu, kar pomeni praktično ničelno povratno upogibanje in izjemno dimenzijsko natančnost.
• Kompleksne geometrije: Ker se oblikovanje zgodi, ko je jeklo raztegljivo (~900 °C), je mogoče zapletene oblike z globokimi izvlečki in majhnimi polmeri oblikovati v enem samem koraku – geometrije, ki bi se razpokele ali počile, če bi jih poskušali izdelati iz hladnega ultra-visoko trdnega jekla.

Tipične avtomobilske uporabe

PHS je najpogosteje izbirani material za »varnostno kletko« sodobnih vozil – tog strukturni del, ki je zasnovan za zaščito potnikov med trkom tako, da preprečuje vdor v kabino.

Ključne komponente

Standardne uporabe vključujejo A-stebre, B-stebre, strešne tirnice, okrepitve tunela, boki podvozja in nosilce za preprečevanje vdora v vrata . V novejšem času proizvajalci vključujejo PHS v ohišja baterij za električna vozila, da bi zaščitili module pred stranskimi udarci.

Prilagojene lastnosti

Napredna proizvodnja omogoča »prilagojeni žar«, pri katerem se določena območja enega samega dela (kot na primer spodnji del stebra B) počasneje hladijo, da ostanejo mehka in raztegljiva, medtem ko zgornji del postane popolnoma trd. Ta kombinacija optimizira delo tako za upiranje prodoru kot tudi za dušenje energije.

Za proizvajalce, ki želijo uvesti te napredne materiale, je ključno sodelovanje s specializiranimi izdelovalci. Družbe, kot je Shaoyi Metal Technology ponujajo celovite rešitve za avtomobilske žigosane dele, sposobne izpolniti zahteve po visokih tonажah (do 600 ton) in ravnanje s točnimi orodnimi potrebami za kompleksne avtomobilske komponente, od hitrega prototipiranja do serijske proizvodnje v skladu s standardi IATF 16949.

Zaključek

Lastnosti jekla za tlačno kaljenje predstavljajo pomemben sinergijski učinek med metalurgijo in proizvodnim procesom. S pomočjo fazne transformacije iz ferita v martenzit inženirji dosežejo material, ki je dovolj oblikovan za zapletene konstrukcije, hkrati pa dovolj trden za zaščito življenj. Ko se razredi razvijajo proti 2000 MPa in naprej, bo PHS ostal temeljni kamen avtomobilske varnosti in strategij zmanjševanja mase.

Pogosta vprašanja

1. Katera je razlika med vročim žongliranjem in tlačnim kaljenjem?

Razlike ni; izraza se uporabljata zamenljivo. »Tlačno kaljenje« se nanaša na metalurški proces utrjevanja, ki poteka v stiskalnici, medtem ko »vroče žongliranje« označuje postopek oblikovanja. Oba opisujeta isti proizvodni zaporedje, s katerim se izdelujejo deli iz visoko trdnega martenzitnega jekla.

2. Zakaj se jeklu za tlačno kaljenje dodaja bor?

Bor se doda v majhnih količinah (0,002–0,005 %), da se znatno poveča prekaljivost jekla. Zakasni nastanek mehkejših mikrostruktur, kot sta ferit in perlkit, med hlajenjem, kar zagotovi, da se jeklo spremeni v popolnoma trdni martenzit celo pri hitrostih hlajenja, ki se dosežejo v industrijskih orodjih za žigosanje.

3. Ali se lahko prekaljeno jeklo zvaruje?

Da, PHS je zvarljiv, vendar zahteva določene parametre. Ker material običajno vsebuje približno 0,22 % ogljika, je primeren za uporabno točkovno varjenje (RSW) in lasersko varjenje. Vendar varjenje nekoliko zmehča cono toplotnega vpliva (HAZ), kar mora biti upoštevano pri načrtovanju. Pri AlSi-pokritih jeklih je treba prevlek odstraniti (z laserjem) ali ga skrbno upravljati med varjenjem, da se prepreči onesnaženje varilnega litega.