Egenskaper för presshärdat stål: Teknisk guide till hållfasthet och formbarhet

TL;DR

Presshärdat stål (PHS), även känt som varmformad eller borstål, är en ultra-hållfast legering (vanligtvis 22MnB5) utformad för säkerhetskomponenter i fordon. Det levereras i ett formbart ferrit-perlitiskt tillstånd (brottgräns ~300–600 MPa) men omvandlas till en exceptionellt hård martensitisk struktur (draghållfasthet 1300–2000 MPa) efter upphettning till ~900°C och avkylnig i en kyld verktygsform. Denna process eliminerar åtfjädring, möjliggör komplexa geometrier och gör det möjligt att minska vikten avsevärt i kritiska krockstrukturer som A-stolpar och stötfångare.

Vad är presshärdat stål (PHS)?

Presshärdande stål (PHS), ofta kallat varmformad stål eller hetformad stål inom bilindustrin, representerar en kategori borlegerade stål som genomgår en specialiserad termisk och mekanisk formningsprocess. Till skillnad från konventionellt kallformade stål som formas vid rumstemperatur värms PHS upp till det når ett austenitiskt tillstånd och formas och avkyls sedan samtidigt i ett kylda verktyg.

Standardbeteckningen för denna process är 22MnB5 , en kol-mangan-bor-legering. Tillsatsen av bor (vanligtvis 0,002–0,005 %) är avgörande eftersom den drastiskt förbättrar stålets härdbarhet, vilket säkerställer att en fullständigt martensitisk mikrostruktur kan uppnås även vid måttliga avkylningshastigheter. Utan bor kan materialet omvandlas till mjukare faser som bainit eller perlit under avkylningen och därmed inte nå önskad hållfasthet.

Den grundläggande omvandling som ger PHS dess värde är mikrostrukturell. Levererat som ett mjukt ferrit-perlitiskt plåt är materialet lätt att skära och hantera. Under varmformspressningsprocessen upphettas det över sin austeniteringstemperatur (vanligtvis cirka 900–950°C). När det heta blanket spänns fast i verktyget kyls det snabbt (med hastigheter som överstiger 27°C/s). Denna snabba kylning undviker bildandet av mjukare mikrostrukturer och omvandlar austeniten direkt till martensit , den hårdaste formen av stålstruktur.

Mekaniska egenskaper: I levererat skick vs. härdat

För ingenjörer och upphandlingsansvariga är det viktigaste aspekten av presshärdat ståls egenskaper den dramatiska skillnaden mellan dess ursprungliga tillstånd och slutgiltiga tillstånd. Denna dualitet möjliggör komplex formning (när det är mjukt) och extrem prestanda (när det är hårt).

Tabellen nedan jämför de typiska mekaniska egenskaperna för standardgraden 22MnB5 före och efter presshärdningsprocessen:

Gränsstyvhetanalys: Gränsstyvheten förtrefaldigas vanligtvis under processen. Medan material i levererat skick beter sig liknande standardkonstruktionsstål blir den färdiga komponenten stel och motståndskraftig mot deformation, vilket gör den idealisk för inträngningsskyddande säkerhetsramar.

Hårdhet och bearbetbarhet: Den slutgiltiga hårdheten på 470–510 HV gör mekanisk trimning eller perforering extremt svår och benägen för verktygsslitage. Därför utförs de flesta trimningsoperationer på färdiga PHS-delar med laserbeskärning (se SSAB teknisk data ) eller specialiserade hårda trimverktyg precis innan delen fullt ut svalnar.

Vanliga PHS-kvaliteter och kemisk sammansättning

Även om 22MnB5 fortfarande är branschens arbetshest har efterfrågan på ännu lättare och starkare komponenter lett till utvecklingen av flera varianter. Ingenjörer väljer vanligtvis kvaliteter baserat på balansen mellan toppstyrka och nödvändig seghet för energiabsorption.

• PHS1500 (22MnB5): Standardgrad med ca 1500 MPa brottgräns. Innehåller ungefär 0,22 % kol, 1,2 % mangan och spår av bor. Balanserar hållfasthet med tillräcklig slagseghet för de flesta säkerhetsapplikationer.
• PHS1800 / PHS2000: Nyare grader av ultrahård stål som ökar draghållfastheten till 1800 eller 2000 MPa. Dessa uppnår högre hållfasthet genom något ökad kolkoncentration eller modifierad legering (t.ex. kisel/niob) men kan ha reducerad slagseghet. De används för delar där motstånd mot inträngning är det enda prioritet, såsom stötfångarstänger eller takreglar.
• Duktila grader (PHS1000 / PHS1200): Även kända som presshärdade stål (PQS), dessa grader (som PQS450 eller PQS550) är utformade för att behålla högre förlängning (10–15 %) efter härdning. De används ofta i "mjuka zoner" i en B-pelare för att absorbera krockenergi snarare än att överföra den.

Den kemiska sammansättningen kontrolleras strikt för att förhindra problem som väteembrittlement, särskilt vid högre hårdhetsgrader. Kolhalt hålls vanligtvis under 0,30 % för att bibehålla en rimlig svetsbarhet.

Beläggningar och korrosionsmotstånd

Obehandlad stål oxiderar snabbt när det upphettas till 900 °C, vilket bildar en hård skala som skadar stansverktyg och kräver slipning (strålning med kulor) efter formning. För att undvika detta använder de flesta moderna PHS-tillämpningar förbelagda plåtar.

Aluminium-silicium (AlSi): Detta är den dominerande beläggningen för direkt varmformning. Den förhindrar skalbildning under upphettning och ger barriärskydd mot korrosion. AlSi-lagret bildar en legering med stålets järn under upphettning, vilket skapar en robust yta som tål glidfriktionen i verktyget. Till skillnad från zink erbjuder den inte galvaniskt (självreparerande) skydd.

Zink (Zn)-beläggningar: Zinkbaserade beläggningar (galvaniserade eller galvannealerade) erbjuder överlägsen katodisk korrosionsskydd, vilket är värdefullt för delar som utsätts för fuktiga miljöer (som t.ex. sidoramar). Emellertid kan standardvarmformning orsaka Vätskezinkembrittlement (LME) , där flytande zink tränger in i stålets korngränser och orsakar mikrosprickor. Specialiserade "indirekta" processer eller "förkylnings"-tekniker krävs ofta för att hantera zinkbelagd PHS säkert.

Viktiga ingenjörsfördelar

Införandet av presshärdat ståls egenskaper har drivits av specifika ingenjörsutmaningar inom fordonsteknik. Materialet erbjuder lösningar som kallformade höghållfasta låglegerade (HSLA) eller dubbelfasiga (DP) stål inte kan matcha.

• Extrem lättvikt: Genom att använda hållfastheter på 1500 MPa eller högre kan ingenjörer minska delarnas tjocklek (tjockleksreduktion) utan att kompromissa med säkerheten. En del som tidigare var 2,0 mm tjock i standardstålväl kunna reduceras till 1,2 mm i PHS, vilket sparar betydande vikt.
• Noll fjädervarning: Vid kallformning har höghållfasta stål en tendens att "gå tillbaka" till sin ursprungliga form när formskivan öppnas, vilket gör det svårt att uppnå dimensionell noggrannhet. PHS-formning sker medan stålet är varmt och mjukt (austenit) och hårdnar samtidigt som det är inlåst i formskivan. Detta låser geometrin på plats, vilket resulterar i närmast noll formåtergång och exceptionell dimensionsprecision.
• Komplexa geometrier: Eftersom formningen sker när stålet är formbart (~900°C) kan komplexa former med djupa dragningar och små krökningsradier formas i ett enda slag – geometrier som skulle spricka eller brista om man försökte med kallt ultrahållfast stål.

Typiska fordonsapplikationer

PHS är det material som föredras för "säkerhetskorgen" i moderna fordon – den styva strukturen som är utformad för att skydda ombordvarande vid en krock genom att förhindra intrång i kupén.

Kritiska komponenter

Standardtillämpningar inkluderar A-stolpar, B-stolpar, takreglar, tunnel-förstyvningar, sidoramar och dörrskyddsbalkar . Nyligen har tillverkare börjat integrera PHS i batterihus för elfordon för att skydda moduler från sidopåverkan.

Anpassade egenskaper

Avancerad tillverkning möjliggör "anpassad härdning", där specifika zoner av en enskild komponent (till exempel botten av en B-stolpe) svalnas långsammare för att förbli mjuka och sega, medan den övre delen blir fullständigt hård. Denna kombination optimerar komponenten för både motstånd mot intrång och energiabsorption.

För tillverkare som vill implementera dessa avancerade material är det viktigt att samarbeta med specialiserade tillverkare. Företag som Shaoyi Metal Technology erbjuder omfattande lösningar för bilstansdelar, kapabla att hantera höga tonnagekrav (upp till 600 ton) och hantera de exakta verktygsbehoven för komplexa bilkomponenter, från snabb prototypframställning till massproduktion enligt IATF 16949-standarder.

Slutsats

Egenskaper hos varmformad stål representerar en avgörande samverkan mellan metallurgi och tillverkningsprocess. Genom att utnyttja fasomvandlingen från ferrit till martensit uppnår ingenjörer ett material som är formbart nog för komplexa designlösningar, men ändå starkt nog att rädda liv. När stålkvaliteterna utvecklas mot 2000 MPa och högre kommer PHS att förbli en grundsten inom fordonsäkerhet och lättviktsteknik.

Vanliga frågor

1. Vad är skillnaden mellan varmformning och presshärdning?

Det finns ingen skillnad; termerna används omväxlande. "Presshärdning" syftar på den metallurgiska härdningsprocess som sker i pressen, medan "varmformning" syftar på formsättningsmetoden. Båda beskriver samma tillverkningssekvens som används för att producera höghållfasta martensitiska ståldelar.

2. Varför tillsätts bor till presshärdat stål?

Boron läggs till i små mängder (0,002–0,005 %) för att betydligt öka stålets härdbarhet. Det försenar bildandet av mjukare mikrostrukturer som ferrit och perlit under kylning, vilket säkerställer att stålet omvandlas till fullständigt hårt martensit även vid de kylhastigheter som uppnås i industriella stansverktyg.

3. Kan presshärdat stål svetsas?

Ja, PHS kan svetsas, men det kräver specifika parametrar. Eftersom materialet normalt har ett kolhalt på cirka 0,22 % är det kompatibelt med motståndspunktsvetsning (RSW) och lasersvetsning. Svetsningen gör dock Hettapåverkad Zon (HAZ) något mjukare, vilket måste beaktas vid konstruktionen. För AlSi-belagda stål måste beläggningen tas bort (genom laserablation) eller hanteras noggrant under svetsning för att förhindra förorening av svetsbadet.