TL;DR

Dubbelfas (DP) stål är avancerade höghållfasta stål (AHSS) med en mikrostruktur bestående av hårda martensitöar spridda i en mjuk ferritmatris. Denna unika kombination ger ett lågt sträckgränstill-brottpådrag (~0,6) och en hög initial härdningshastighet (n-värde), vilket gör dem idealiska för komplexa fordonsstansningar som kräver både formbarhet och krocksäkerhet. Men för att lyckas med stansningen måste man hantera betydande risker för fjädring och kantrevning. Ingenjörer måste vanligtvis öka passningsklaringar till 12–14 % och använda styvare verktyg med avancerade beläggningar som TiC eller CrN för att hantera de ökade tonnage- och slitagehastigheterna.

Mikrostruktur och mekaniska egenskaper

Det ingenjörsmässiga värdet med dubbelfasstål ligger i dess tydliga tvåfasiga mikrostruktur. Till skillnad från höghållfasta låglegerade (HSLA) stål, som bygger på utfällningshärdning, hämtar DP-stål sina egenskaper från en sammansatt struktur: en kontinuerlig mjuk ferritmatris som ger seghet, och utspridda hårda martensitiska öar som ger hållfasthet. När materialet deformeras koncentreras töjningen i den mjukare ferritfasen kring martensiten, vilket resulterar i en hög initial värdeförhårdning (n-värde).

Denna mikrostruktur skapar en mekanisk beteendeprofil som är specifikt optimerad för kallformning. Medan HSLA-kvaliteter normalt uppvisar ett sträckgräns-till-brottgränsförhållande (YS/TS) på cirka 0,8 har DP-stål ett mycket lägre förhållande på ungefär 0,6. Denna lägre sträckgräns gör att plastisk deformation kan börja tidigare, vilket underlättar bildandet av komplexa former innan materialet når sin brottgräns. Tillverkaren noterar att detta höga n-värde särskilt är framträdande vid lägre töjningsområden (4–6 %), vilket hjälper till att fördela töjningen enhetligt över delen och förhindrar lokal necking tidigt i pressslagen.

Vanliga kommersiella grader—såsom DP590, DP780 och DP980—definieras av sina minimibrudgränser (i MPa). När volymfraktionen av martensit ökar stiger brottgränsen, men ductiliteten minskar naturligt. Konstruktörer måste balansera dessa faktorer och väljer ofta lägre martensitfraktioner för djupdragna delar och högre fraktioner för strukturella reglar där prestanda mot inträngning är avgörande.

Stansningsutmaningar: Återfjädring och kantrevning

Den egenskap som gör DP-stål så eftertraktat—dess höga kallhårdningsgrad—introducerar också dess främsta tillverkningsfel: återfjädring. Eftersom materialet snabbt hårdnar under deformationen är den elastiska återhämtningsspänning lagrad i delen avsevärt högre än hos mjuka stål. Detta visar sig som kantvåning och vinkelförändring efter att delen tagits ut ur verktyget, vilket komplicerar måttlig noggrannhet för montering.

För att minska återfjädring använder processtekniker flera verktygsdesignstrategier. Överkorrigering av verktygytorna tillåter materialet att slappa av till rätt geometri. Dessutom kan väggar med räfflar eller förstyvare låsa geometrin på plats. En mer avancerad teknik innebär att man påförs hög töjning i slutet av pressgången för att minska återstående tryckspänningar, vilket effektivt "fastställer" formen.

Kant sprickbildning är en annan kritisk felmod, särskilt vid sträckkantsveckningsoperationer. Hårdhetsolikheten mellan det mjuka ferriten och det hårda martensiten skapar spänningstoppar vid skurna kanter, vilket leder till mikro-tomrum som kan sammanföra sig till sprickor. SSAB föreslår att använda specialiserade "Dual Phase High Formability" (DH)-sorter för geometrier som kräver djupdragning eller uppspända kanter. Dessa AHSS-sorter av tredje generationen använder TRIP-assisterade mikrostrukturer (med bevarad austenit) för att bibehålla formbarheten vid högre töjningsnivåer, vilket ger bättre motståndskraft mot kantsprickbildning jämfört med standard-DP-sorter.

Riktlinjer för verktyg och formsdesign

Att stansa dubbelfasstål kräver en grundläggande omtänkning av standardverktygsparametrar som används för mjukt stål eller HSLA. Den viktigaste justeringen är stansspel. Standardspel på ungefär 9 % av materialtjockleken leder ofta till allvarlig kantsplittring i DP-stål på grund av materialets höga skjuvhållfasthet.

Data från Tata Steel visar att ökad punschspalt till 12–14%betydligt förbättrar kanalkvaliteten. I ett fallstudie minskade en ökning av spalten från 9 % till 12 % delningsfrekvensen från 22 % till nästan noll. Denna större glugg ändrar spänningsläget vid skärkanten, vilket minskar benägenheten för mikrosprickor att sprida sig till flansen.

Verktygsslitage accelereras också. De höga kontakttryck som krävs för att forma DP-stål—ofta över 600 ton för strukturella komponenter—kan orsaka gallning och snabb formförstöring. Verktygsstål måste därför beläggas med hårda, låg friktion ytbehandlingar såsom titan karbid (TiC) eller kromnitrid (CrN) för att förlänga underhållsintervall. Dessutom måste pressen själv ha tillräcklig styvhet för att förhindra böjning under dessa höga laster, vilket annars skulle försämra toleranserna på delarna.

För tillverkare som ställs inför dessa ökade krav på utrustning är samarbete med en specialiserad tillverkningsleverantör ofta den mest effektiva vägen. Shaoyi Metal Technology omfattande stansningslösningar som kopplar samman klyftan från prototypframställning till massproduktion. Med presskapacitet upp till 600 ton och IATF 16949-certifiering är de rustade att hantera de krävande tonnage- och precisionskraven för avancerade höghållfasta stål som DP- och DH-godser för kritiska komponenter såsom tvärleder och underchassiar.

Härdning vid bakning och slutgiltig prestanda

En av de dolda fördelarna med duplexstål är dess "härdning vid bakning" (BH). Denna fenomen inträffar under lackeringens härdningscykel i bilindustrin, vanligtvis cirka 170°C i 20 minuter. Under denna termiska process diffunderar fria kolatomer i stålets mikrostruktur och fixerar deformationsförskjutningar som uppstått vid djupdragning.

Denna mekanism resulterar i en betydande ökning av brottgränsen – vanligtvis med 50 till 100 MPa – utan att påverka delens dimensioner. Denna statiska styrkeökning gör det möjligt för fordonsingenjörer att "minska tjockleken" (använda tunnare material) för att reducera fordonets vikt, samtidigt som man säkerställer att den färdiga delen uppfyller kraven för krocksäkerhet. Kombinationen av kallbearbetning från pressverkstaden och härdning under målningsprocessen ger den slutgiltiga komponenten en exceptionell energiabsorptionsförmåga, vilket gör DP-stål till standardvalet för säkerhetsramens delar såsom B-stolpar, takreglar och tvärstag.

Slutsats: Optimera för produktion av AHSS

Delfasstål representerar en kritisk balanspunkt inom modern fordonskonstruktion, eftersom det erbjuder den styrka som krävs för att uppfylla säkerhetskrav och den seghet som behövs för tillverkningsmässig genomförbarhet. Även om materialet medför specifika utmaningar – särskilt vad gäller hantering av återfjädring och verktygsslitage – kan dessa effektivt övervinnas genom datastyrd verktygsdesign och lämplig pressval. Genom att respektera den unika fysiken i ferrit-martensit-mikrostrukturen och justera parametrar som hylsor clearance till det rekommenderade intervallet på 12–14 %, kan tillverkare fullt ut utnyttja detta mångsidiga materials potential vad gäller viktminskning och prestandaförbättring.

Vanliga frågor

1. Hur skiljer sig delfasstål från HSLA-stål?

Medan höghållfasta låglegerade (HSLA) stål förlitar sig på mikrolegeringselement för avgångshärdning, förlitar sig dubbelfasstål (DP) på en tvåfasig mikrostruktur av ferrit och martensit. Detta ger DP-stål ett lägre sträckgräns-till-brokgräns-förhållande (~0,6 jämfört med 0,8 för HSLA) och en högre initial härdningshastighet vid deformation, vilket möjliggör bättre formbarhet vid ekvivalenta brottgränser.

2. Vilken rekommenderad stansspalt ska användas vid stansning av DP-stål?

Standardstansspalter som används för mjukt stål (cirka 9 %) är vanligtvis för trånga för DP-stål och kan orsaka kantsprickning. Inom branschen rekommenderas att öka stansspalten till 12–14%av materialtjockleken för att förbättra kvaliteten på kanten och verktygslivslängden.

3. Vad orsakar fjädervåning i dubbelfasstål?

Återfjädring orsakas av materialets höga elastiska återhämtning efter omformning. DP-stålets höga kallhårdningshastighet innebär att det lagrar betydande elastisk energi under deformationen. När verktyget öppnas släpps denna energi ut, vilket gör att delen fjädrar tillbaka eller kröker sig. Detta måste kompenseras för genom överkupering eller återdunkning i verktygsdesignen.

4. Kan dubbelfasstål svetsas?

Ja, DP-stål har generellt god svetsbarhet, men det specifika kolmotsvarandet måste beaktas. Medan lägre hållfasthetsgrader (DP590) lätt kan punktsvetsas kan högre hållfasthetsgrader (DP980 och uppåt) kräva justeringar av svetsparametrarna, till exempel ökad elektrokraft eller specifika pulsprogram, för att förhindra spröda brott i svetsens värmepåverkade zon.