TL;DR

Den borstålshotformningsprocess (även känd som presshädning) är en termisk formningsmetod som omvandlar låglegerat borstål – vanligtvis 22MnB5 – från en ferrit-perlitisk mikrostruktur (~600 MPa) till ett fullständigt martensitiskt tillstånd (~1500 MPa). Denna omvandling uppnås genom att värma plåten till austeniteringstemperaturer ( 900–950°C ) och därefter forma och kyla den inom en vattenkyld verktygsform med hastigheter som överstiger 27°C/s . Processen möjliggör tillverkning av komplexa, lättviktiga fordonskomponenter med ultrahög hållfasthet och noll återfjädring, såsom B-stolpar och takreglar.

Fysiken bakom hotformning: Direkt- och indirektmetoder

Hotformning är inte en enhetlig process; den kategoriseras i två skilda metoder – Direkt och Indirekt —definierad av när omformningen sker i förhållande till det termiska cykeln. Att förstå skillnaden är avgörande för processtekniker som väljer utrustning för specifika delgeometrier.

Direkt varmforming

Direktmetoden är branschstandard för majoriteten av strukturella komponenter på grund av dess effektivitet. I denna sekvens värms en platt blanka först i en ugn till ungefär 900–950°C för att uppnå en homogen austenitisk struktur. Den heta blankan överförs sedan snabbt (vanligtvis inom under 3 sekunder) till pressen, där den samtidigt formas och svalnas i ett kyld verktyg. Denna metod är kostnadseffektiv men begränsad av materialets formbarhet vid höga temperaturer; extrema dragdjup kan leda till förtunning eller sprickbildning.

Indirekt varmforming

För delar med extremt komplexa geometrier som överskrider stålets varma formbarhetsgränser används indirekt metod. Här formas blankan kallformad till nära formslutande (90–95 % färdig) innan upphettning. Den förformade delen austenitiseras sedan i en särskild ugn och överförs till pressen för en slutlig kalibrering och härdat steg. Även om detta möjliggör mer invecklade former, ökar det avsevärt cykeltiden och kapitalinvesteringen på grund av den ytterligare kallstansningssteget och behovet av 3D-formade ugnsomhändertagningssystem.

Metallurgisk omvandling: Omvandla 22MnB5 till martensit

Kärnvärdet med varmformning ligger i den mikrostrukturella fasomvandlingen av 22MnB5 stål. I levererat skick har detta borlegerade stål en ferrit-perlitisk mikrostruktur med en sträckgräns på ungefär 350–550 MPa och en brottgräns på cirka 600 MPa. Processutvecklingen fokuserar på att manipulera tre kritiska variabler för att ändra denna struktur.

1. Austenitisering

Stålet måste värmas ovanför sin övre kritiska temperatur (Ac3), vanligtvis runt 850°C , även om processinställningar ofta varierar mellan 900°C till 950°C för att säkerställa fullständig omvandling. Under värmetiden (vanligtvis 4–10 minuter beroende på tjocklek och ugnstyp) tränger kol in i en fast lösning och bildar austenit. Denna kubiska centrerade struktur (KKS) är seg, vilket möjliggör komplex formning med lägre presskraft jämfört med kallformning.

2. Borrets roll och avsvalningshastigheter

Bor tillsätts i legeringen (0,002–0,005 %) specifikt för att fördröja bildandet av ferrit och perlit under avsvalning. Detta härdbarhetsmedel gör att stålet kan släckas i en hanterbar takt – vanligen >27°C/s (kritisk avsvalningshastighet) – för att undvika näsan på bainitkurvan och istället omedelbart omvandla till martensit . Om avsvalningshastigheten sjunker under denna gräns bildas mjukare faser som bainit, vilket försämrar det slutgiltiga hållfasthetsvärdet.

3. Al-Si-beklädningslösningen

Vid temperaturer över 700°C oxiderar obehandlat stål snabbt och bildar en hård skala som skadar verktyg och kräver strålsanding efter processen. För att minska detta använder branschstandardmaterial som Usibor 1500P en förbelagd aluminium-silicium (Al-Si)-beläggning. Under upphettning legeras denna beläggning med underlaget och bildar ett Fe-Al-Si-diffusionslager, vilket förhindrar skalbildning och avkolning. Denna innovation eliminerar behovet av skyddande ugnatmosfärer och efterföljande rengöringssteg, vilket effektiviserar produktionen.

Produktionslinjen: Kritisk utrustning och parametrar

Att implementera en varmformningslinje kräver specialutrustning kapabel att hantera extrema termiska gradienter och hög tonnage. Investeringskostnaden är betydande och kräver ofta strategiska partnerskap för prototypframställning och överskottsproduktion.

• Ugnsteknologi: Rulleovn är standard för direkt varmformning i hög volym. De måste upprätthålla temperaturjämnhet inom ±5 °C för att säkerställa konsekventa mekaniska egenskaper. För indirekta processer eller lägre volymer kan kammareovnar användas. Den totala uppehållstiden är en funktion av blanktjocklek, vanligtvis beräknad som t = (tjocklek × konstant) + bas tid , vilket ofta resulterar i 4–6 minuter för standardtjocklekar.
• Hydrauliska och servopressar: Till skillnad från kallformning måste pressen stanna vid slagets nederkant för att hålla delen mot de kylda verktygytorna. Hydraulisk eller servo-hydrauliska pressar föredras på grund av deras förmåga att tillämpa och hålla maximal tonnage (ofta 800–1200 ton) under den erforderliga härdningstiden (5–10 sekunder). Den totala cykeltiden ligger vanligtvis mellan 10 och 30 sekunder.
• Verktyg och kylkanaler: Verktyget är en värmeväxlare. Det måste innehålla komplexa interna kylkanaler (ofta borrade eller 3D-skrivna) för att cirkulera vatten vid höga flöden. Målet är att snabbt avlägsna värme och hålla verktygytans temperatur under 200°C för att säkerställa effektiv härdning.
• Lasertrimning: Eftersom den färdiga delen har en draghållfasthet på ca 1500 MPa slits traditionella mekaniska trimverktyg nästan omedelbart. Därför lasertrimning (vanligtvis 5-axliga fiberlasrar) är standardmetoden för att skära hål och slutgiltiga konturer efter formning.

För tillverkare som navigerar övergången från prototyp till massproduktion kan komplexiteten i denna utrustningskedja utgöra ett hinder. Att nyttja Shaoyi Metal Technology's omfattande stanslösningar kan komma till rätta här. Deras kapacitet, som inkluderar precisionspressning upp till 600 ton och efterlevnad av IATF 16949-standarder, ger den nödvändiga tekniska infrastrukturen för att validera processparametrar och skala produktion utan omgående stora kapitalutgifter.

Avancerade tillämpningar: Anpassade egenskaper och mjuka zoner

Modern fordonsäkerhetsdesign kräver ofta att en enskild komponent har dubbla egenskaper: hög inträngningsmotstånd (hårt) och hög energiabsorption (mjukt). Varmformning möjliggör detta genom Anpassade egenskaper .

Mjukzonsteknik

Genom att styra kylhastigheten i specifika områden av verktyget kan ingenjörer förhindra martensitomvandlingen i lokaliserade zoner. Till exempel kan en B-stolpe behöva en helt martensitisk övre del (1500 MPa) för att skydda passagerarens huvud, men en mjukare, segare nedre del (500–700 MPa) för att absorbera energi vid sidokrock. Detta uppnås genom att isolera specifika delar av verktyget eller använda uppvärmningselement för att hålla verktygets temperatur ovanför martensitstarttemperaturen (Ms), vilket tillåter att bainit eller ferrit bildas istället.

Anpassade svetsade blanketter (TWBs)

En annan metod innebär lasersvetsning av två olika stållegeringar eller tjocklekar innan varmformningsprocessen. En blank kan kombinera ett borstål med ett segt HSLA-stål. När det formsätts vid hög temperatur härdnar boronstålssidan medan HSLA-sidan behåller sin seghet, vilket skapar en komponent med skilda prestandazoner utan komplicerade formsystem för uppvärmning.

Strategisk analys: Fördelar, nackdelar och kostnader

Att besluta om införandet av varmformning innebär en komplex avvägning mellan prestanda och kostnad. Följande analys belyser de viktigaste beslutsfaktorerna för fordonsingenjörer.