Каркатеристике челика за прес харденинг: Технички водич за чврстоћу и обрадивост

KRATKO

Čelik za kaljenje pod pritiskom (PHS), poznat i kao čelik termoulikovan ili čelik sa borom, je legura izuzetno visoke čvrstoće (uglavnom 22MnB5) koja se koristi za bezbednosne komponente u automobilskoj industriji. Dostavlja se u kovkom stanju feritno-perlitne strukture (granica razvlačenja ~300–600 MPa), ali nakon zagrevanja na ~900°C i gašenja u hlađenoj matrici transformiše se u izuzetno tvrdu martensitnu strukturu (čvrstoća na zatezanje 1300–2000 MPa). Ovaj proces eliminira povratno savijanje, omogućava složene geometrije i znatno smanjenje težine kod ključnih konstrukcija za apsorpciju udara, kao što su stubovi A i prednji trapez.

Šta je čelik za kaljenje pod pritiskom (PHS)?

Čelik za termoobradu pod pritiskom (PHS), koji se u automobilskoj industriji često naziva vruće žonglirani čelik ili vruće oblikovani čelik, predstavlja kategoriju čelika legiranog borom koja prolazi kroz specijalizovani termički i mehanički proces oblikovanja. Za razliku od konvencionalnih hladno žongliranih čelika koji se oblikuju na sobnoj temperaturi, PHS se zagreva dok ne dostigne austenitno stanje, a zatim se istovremeno oblikuje i kaljen u rashlađenom alatu.

Standardni tip za ovaj proces je 22MnB5 , legura ugljenika, mangan i bora. Dodatak bora (obično 0,002–0,005%) je ključan jer drastično poboljšava kaljenje čelika, osiguravajući da se potpuna martensitna mikrostruktura može postići čak i pri umerenim brzinama hlađenja. Bez bora, materijal bi se mogao transformisati u mekše faze poput bainita ili perilita tokom faze kaljenja, te ne bi dostigao ciljnu čvrstoću.

Основна трансформација која ПНЧ-у даје вредност је микроструктурна. Достављен као меки феритно-перлитни лим, материјал је лак за резање и руковање. Током процеса врућег ваљкања, загрева се изнад температуре аустенизације (обично око 900–950°C). Када се врући потисак учини у матрици, брзо се хлади (брзинама већим од 27°C/s). Ово брзо хлађење заобилази формирање меких микроструктура и трансформише аустенит директно у martenzit , најтврђу форму структуре челика.

Механичка својства: У почетном стању и након затврдњавања

За инжењере и специјалисте за набавку, најбитнији аспект својстава челика за пресоване делове је значајна разлика између његовог почетног и крајњег стања. Ова двојност омогућава сложено обликовање (када је мек) и изузетне перформансе (када је тврд).

Табела испод пореди типична механичка својства стандардног степена 22MnB5 пре и након процеса затврдњавања:

Анализа чврстоће при вођењу: Чврстоћа при вођењу обично се утрошава током процеса. Док материјал у испорученом стању има слично понашање као и стандардни конструкцијски челик, готови део постаје крут и отпоран на деформације, због чега је идеалан за сигурносне оквире против продирања.

Тврдоћа и обрадивост: Коначна тврдоћа од 470–510 HV чини механичко исецање или пробијање изузетно тешким и склоним хабању алата. Стога, већина операција исецања завршених делова од PHS материјала врши се ласерским резањем (види Техничке податке SSAB ) или помоћу специјализованих матрица за резање пре него што део потпуно охлади.

Уобичајени PHS степенovi и хемијски састав

Иако 22MnB5 и даље остаје главни материјал у индустрији, захтев за још лакшим и јачим компонентама довео је до развоја неколико варијанти. Инжењери обично бирају степене на основу равнотеже између максималне чврстоће и потребне дуктилности за апсорпцију енергије.

• PHS1500 (22MnB5): Стандардни степен чврстоће са отприлике 1500 MPa затега. Садржи око 0,22% угљеника, 1,2% манган и трагове бора. Овај материјал равнотежи чврстоћу и довољну жилавост за већину безбедносних примене.
• PHS1800 / PHS2000: Новији степени ултра високе чврстоће који повећавају затег до 1800 или 2000 MPa. Ови степени постижу већу чврстоћу благим повећањем садржаја угљеника или модификованим легурама (нпр. силицијум/ниобијум), али могу имати смањену жилавост. Користе се за делове где је отпорност проницању једини приоритет, као што су греде бампера или кровни водиoci.
• Жилави степени (PHS1000 / PHS1200): Познати и као челици за прес калибровање (PQS), ови степени (као PQS450 или PQS550) дизајнирани су да задрже веће издужење (10–15%) након калибровања. Често се користе у „меким зонама“ B-стуба како би апсорбовали енергију судара, а не да је преносе.

Хемијски састав се строго контролише како би се спречиле појаве као што је ембритљивост услед водоника, нарочито код челика веће чврстоће. Садржај угљеника је углавном испод 0,30% како би се одржала прихватљива заваривост.

Премази и отпорност на корозију

Неометани челик се брзо оксидује када се загреје на 900°C, стварајући тврду кору која оштећује матрице за избацивање и захтева абразивно чишћење (пескарење) након формирања. Како би се ово избегло, већина модерних примене топлог формирања користи премазане лимове.

Алуминијум-силцијум (AlSi): Ово је доминантни премаз за директно топло избацивање. Спречава образовање коре током загревања и обезбеђује баријерну заштиту од корозије. AlSi слој ступа у легуру са гвожђем челика током фазе загревања, стварајући отпорну површину која издржава клизна трења матрице. За разлику од цинка, не пружа галванолску (самооценивајућу) заштиту.

Цинкови (Zn) премази: Prevlake na bazi cinka (cinkovane ili galvanizovane) nude superiornu katodnu zaštitu od korozije, što je važno za delove izložene vlažnim sredinama (poput školjki). Međutim, standardno kaljenje pod pritiskom može izazvati Tečno-metalno osumnjičenje (LME) , gde tečni cink prodre kroz granice zrna čelika uzrokujući mikropukotine. Često su potrebni specijalizovani „indirektni“ procesi ili tehnike „predhlаждanja“ kako bi se bezbedno upravljalo cink-pokrivanim PHS-om.

Ključne inženjerske prednosti

Uvođenje osobina čelika za kaljenje pod pritiskom pokretano je određenim inženjerskim izazovima u konstrukciji vozila. Materijal nudi rešenja koja hladno vučeni čelici visoke čvrstoće i niskolegirani (HSLA) ili dvofazni (DP) čelici ne mogu nadmašiti.

• Ekstremno olakšanje: Korišćenjem čvrstoće od 1500 MPa ili više, inženjeri mogu smanjiti debljinu delova (smanjenje kalibra) bez kompromisa na sigurnosti. Deo koji je ranije imao debljinu 2,0 mm u standardnom čeliku može se smanjiti na 1,2 mm u PHS-u, čime se postiže značajno ušteda u težini.
• Nula povratnog savijanja: Kod hladnog štampanja, čelici visoke čvrstoće imaju tendenciju „povratka“ u prvobitni oblik nakon otvaranja kalupa, što otežava postizanje dimenzione tačnosti. PHS se formira dok je vruć i mekan (austenit) i kaljen je pod ograničenjem unutar kalupa. Ovo fiksira geometriju na mestu, što rezultuje praktično nultim povratnim efektom i izuzetnom dimenzionom preciznošću.
• Složene geometrije: Budući da se formiranje dešava kada je čelik rastegljiv (~900°C), složeni oblici sa dubokim vučenjem i uskim radijusima mogu se oblikovati jednim udarcem — geometrije koje bi se pukle ili pukle da se pokušaju sa hladnim čeličima ultra visoke čvrstoće.

Типичне аутомобилске примене

PHS je materijal izbora za »kavez sigurnosti« savremenih vozila — krutu konstrukciju koja je dizajnirana da zaštititi putnike tokom sudara tako što sprečava prodor u kabine.

Критичне компоненте

Standardne primene uključuju A-stubove, B-stubove, spojnice krova, pojačanja tunela, donje ivice karoserije i grede za sprečavanje prodiranja kroz vrata . У последње време, произвођачи су почели да интегришу PHS у кућишта батерија за електрична возила како би заштитили модуле од удараца са стране.

Прилагођена својства

Напредне производне технологије омогућавају „прилагођено каљење“, при чему се одређена подручја једног дела (као што је доњи део B-стуба) спорије хладе да би остала мека и дуктилна, док горњи део постаје потпуно чврст. Ова комбинација оптимизује део како би истовремено отпоравао продиру и апсорбовао енергију.

За произвођаче који желе да уведу ове напредне материјале, сарадња са специјализованим произвођачима је од суштинског значаја. Компаније попут Shaoyi Metal Technology нуде комплексна решења за аутомобилске делове из пресе, способне да обраде захтеве високих тонажа (до 600 тона) и управљају прецизним алатима потребним за сложене аутомобилске компоненте, од брзог прототипирања до масовне производње у складу са стандардима IATF 16949.

Закључак

Karakteristike čelika za termoumrtvljivanje predstavljaju ključnu sinergiju između metalurgije i proizvodnog procesa. Korišćenjem fazne transformacije ferita u martenzit, inženjeri postižu materijal koji je dovoljno oblikovan za složene dizajne, a istovremeno dovoljno jak da štiti živote. Kako se klase razvijaju ka 2000 MPa i više, PHS će ostati osnova strategija bezbednosti i olakšavanja vozila.

Често постављана питања

1. U čemu je razlika između vrućeg žongliranja i presovanja za očvršćavanje?

Ne postoji razlika; termini se koriste zamenjivo. „Presovanje za očvršćavanje“ odnosi se na metalurški proces očvršćavanja koji se dešava u preši, dok „vruće žongliranje“ označava metod oblikovanja. Oba opisuju isti niz proizvodnih operacija korišćenih za izradu delova od visokootpornog martenzitskog čelika.

2. Zašto se boron dodaje u čelik za presovanje za očvršćavanje?

Бор се додаје у малим количинама (0,002–0,005%) како би значајно повећао способност каљења челика. Он одлаже формирање међуструктура као што су ферит и перлит током хлађења, чиме се осигурава да се челик претвори у потпуно тврди мартензит чак и при брзинама хлађења које се постижу у индустријским алата за ћупање.

3. Да ли се челик који се каља пресовањем може заваривати?

Да, PHS се може заваривати, али захтева специфичне параметре. Пошто материјал обично има садржај угљеника око 0,22%, компатибилан је са отпорним тачкастим заваривањем (RSW) и ласерским заваривањем. Међутим, заваривање благо омекшава зону термичког утицаја (HAZ), што мора бити узето у обзир приликом пројектовања. Код челика са AlSi преклопом, преклоп треба уклонити (помоћу ласерске аблације) или пажљиво управљати њиме током заваривања ради спречавања контаминирања завареног ложа.