สรุปสั้นๆ

เหล็กสองเฟส (DP) เป็นเหล็กความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) ที่มีโครงสร้างจุลภาคประกอบด้วยเกาะมาร์เทนไซต์ที่แข็งแกร่งกระจายตัวอยู่ในแมทริกซ์ของเฟอร์ไรต์ที่อ่อนนุ่ม คุณสมบัตินี้ทำให้มีอัตราส่วนระหว่างแรงดึงเริ่มต้นต่อแรงดึงสูงสุดต่ำ (~0.6) และอัตราการแข็งตัวจากการขึ้นรูปเริ่มต้นสูง (ค่า n) ทำให้เหมาะสำหรับงานขึ้นรูปชิ้นส่วนยานยนต์ที่ซับซ้อน ซึ่งต้องการทั้งความสามารถในการขึ้นรูปและการดูดซับพลังงานขณะชน อย่างไรก็ตาม การขึ้นรูปที่ประสบความสำเร็จจำเป็นต้องควบคุมการเด้งกลับ (springback) และความเสี่ยงของการแตกร้าที่ขอบ (edge cracking) วิศวกรโดยทั่วไปจะต้องเพิ่มช่องว่างของหมัดขึ้นรูปเป็น 12–14% และใช้แม่พิมพ์ที่ทนทานมากขึ้นพร้อมเคลือบขั้นสูง เช่น TiC หรือ CrN เพื่อรับมือกับแรงกดที่สูงขึ้นและการสึกหรอที่มากขึ้น

โครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกล

คุณค่าทางวิศวกรรมของเหล็กแบบดูอัลเฟส (Dual Phase steel) อยู่ที่โครงสร้างจุลภาคสองเฟสที่ชัดเจน ซึ่งแตกต่างจากเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงผสมปริมาณต่ำ (High-Strength Low-Alloy: HSLA) ที่พึ่งพาการเพิ่มความแข็งผ่านการตกตะกอน เหล็ก DP จะได้คุณสมบัติจากโครงสร้างคอมโพสิต ได้แก่ เมทริกซ์เฟอร์ไรต์อ่อนต่อเนื่องที่ให้ความเหนียว และเกาะมาร์เทนไซต์แข็งที่กระจายตัวอยู่ซึ่งให้ความแข็งแรง เมื่อเกิดการเปลี่ยนรูป ความเครียดจะรวมตัวในเฟสเฟอร์ไรต์อ่อนรอบๆ มาร์เทนไซต์ ส่งผลให้อัตราการแปรรูปขึ้นตัวเริ่มต้นสูง (n-value)

โครงสร้างจุลภาคนี้สร้างลักษณะพฤติกรรมเชิงกลที่ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อการขึ้นรูปเย็น ในขณะที่เกรด HSLA โดยทั่วไปมีอัตราส่วนระหว่างความต้านทานแรงดึงกับความต้านทานแรงยืด (YS/TS) ประมาณ 0.8 เหล็ก DP จะรักษาระดับอัตราส่วนที่ต่ำกว่ามากที่ประมาณ 0.6 อัตราแรงยืดที่ต่ำกว่านี้ทำให้การแปรรูปพลาสติกเริ่มต้นได้เร็วกว่า ช่วยให้สามารถขึ้นรูปเป็นรูปร่างซับซ้อนก่อนที่วัสดุจะถึงขีดจำกัดแรงดึงสูงสุด ข้อสังเกตสำหรับผู้ผลิต ค่านิวเมอร์ตัวสูงนี้มีความชัดเจนอย่างยิ่งในช่วงแรงดึงต่ำ (4–6%) ซึ่งช่วยกระจายแรงดึงอย่างสม่ำเสมอกับชิ้นงานและป้องกันการเกิดรอยรัดตัวเฉพาะที่ในช่วงต้นของการกดขึ้นรูป

เกรดเชิงพาณิชย์ทั่วไป—เช่น DP590, DP780 และ DP980—ถูกกำหนดโดยความแข็งแรงดึงขั้นต่ำ (หน่วยเป็น MPa) เมื่อปริมาณของมาร์เทนไซต์เพิ่มขึ้น ความแข็งแรงดึงจะสูงขึ้น แต่ความเหนียวจะลดลงตามธรรมชาติ วิศวกรจำเป็นต้องพิจารณาความสมดุลระหว่างปัจจัยเหล่านี้ โดยมักเลือกใช้มาร์เทนไซต์ในสัดส่วนต่ำสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องขึ้นรูปลึก และเลือกสัดส่วนสูงสำหรับโครงสร้างรางที่ต้องการสมรรถนะในการต้านทานการบุกรุกเป็นสำคัญ

ความท้าทายในการขึ้นรูป: การเด้งกลับหลังขึ้นรูปและการแตกร้าวที่ขอบ

คุณลักษณะที่ทำให้เหล็กกล้า DP เป็นที่พึงประสงย์—อัตราการแข็งแรงได้ดีภายใต้แรงงานสูง—ก่อปัญหาข้อบกพร่องหลักในการผลิต นั่นคือ springback เนื่องวัสดูแข็งขึ้นอย่างรวดเร็วระหว่างการเปลี่ยนรูปร่าง ความตึงเครียดแบบยืดหยุ่นที่เก็บอยู่ในชิ้นส่วนจะสูงกว่าเหล็กกล้าอ่อนอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้แสดงออกเป็นการงอของผนังด้านข้างและการเปลี่ยนมุมหลังจากชิ้นส่วนถูกถอดออกจากแม่พิมพ์ ทำให้เกิดความยุ่งยากในการรักษาความแม่นยำของมิติเมื่อประกอบ

เพื่อบรรเทาปัญหา springback วิศวกรกระบวนการใช้หลายกลยุทธ์ในการออกแบบแม่พิมพ์ Over-crowning พื้นผิวของแม่พิมพ์เพื่ออนุญาตให้วัสดุคลายตึงและเข้าสู่รูปร่างที่ถูกต้อง นอกจากนี้ การออกแบบริ้วผนังหรือตัวเสริมความแข็งแรงสามารถล็อกรูปร่างในตำแหน่งที่ต้องการ วิธีขั้นสูงกว่านั้นคือการสร้างความเครียดในระดับสูงท้ายขั้นตอนการกด เพื่อลดความเครียดอัดที่เหลือตกค้าง อย่างมีประสิทธิภาพ "ตั้ง" รูปร่างของชิ้นงาน

การแตกร้าวที่ขอบเป็นอีกโหมดการล้มเหลวที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งระหว่างกระบวนการขึ้นรูปขอบแบบยืด ความแตกต่างของความแข็งระหว่างเฟอร์ไรต์ที่อ่อนและมาร์เทนไซต์ที่แข็งจะสร้างจุดรวมแรงดึงไว้ที่ขอบที่ถูกตัด ทำให้เกิดโพรงเล็กๆ ซึ่งอาจรวมตัวกันจนกลายเป็นรอยแตก SSAB เสนอแนะให้ ใช้เกรดพิเศษที่เรียกว่า "Dual Phase High Formability" (DH) สำหรับชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนซึ่งต้องการการขึ้นรูปลึกหรือมีขอบที่ถูกยืด เกรด AHSS รุ่นที่ 3 เหล่านี้ ใช้โครงสร้างจุลภาคที่ได้รับการช่วยจากปรากฏการณ์ TRIP (พร้อมออสเทนไนต์ที่คงเหลือ) เพื่อรักษางานขึ้นรูปได้ดีในระดับแรงดึงที่สูงขึ้น จึงมีความต้านทานต่อการแตกร้าวที่ขอบได้ดีกว่าเกรด DP มาตรฐาน

แนวทางการออกแบบแม่พิมพ์และอุปกรณ์ขึ้นรูป

การขึ้นรูปเหล็กกล้า Dual Phase จำเป็นต้องทบทวนพารามิเตอร์ของแม่พิมพ์ใหม่โดยสิ้นเชิง เมื่อเปรียบเทียบกับการขึ้นรูปเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำหรือ HSLA พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดคือระยะช่องว่างของปากพันซ์ ระยะช่องว่างมาตรฐานประมาณ 9% ของความหนาโลหะ มักก่อให้เกิดการแยกตัวของขอบอย่างรุนแรงในเหล็กกล้า DP เนื่องจากความต้านทานแรงเฉือนที่สูงของวัสดุ

ข้อมูลจาก Tata Steel แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มช่องว่างของการเจาะขึ้นจะ 12–14%ช่วยปรับปรุงคุณภาพของขอบได้อย่างมาก ในกรณีศึกษาหนึ่ง พบว่าเมื่อเพิ่มช่องว่างจาก 9% เป็น 12% อัตราการแยกชิ้นส่วนก็ลดลงจาก 22% เหลือเกือบศูนย์ การเพิ่มช่องว่างดังกล่าวทำให้สถานะความเครียดที่ขอบตัดเปลี่ยนไป ส่งผลลดแนวโน้มที่รอยแตกจุลภาคจะขยายตัวเข้าสู่ส่วนฟแลนจ์

การสึกหรอของเครื่องมือยังเร่งตัวขึ้นด้วย ความดันสัมผัสสูงที่จำเป็นในการขึ้นรูปเหล็กกล้า DP—ซึ่งมักเกิน 600 ตันสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้าง—สามารถก่อให้เกิดการติดแน่น (galling) และการเสื่อมสภาพของแม่พิมพ์อย่างรวดเร็ว ดังนั้นเหล็กเครื่องมือจึงจำเป็นต้องเคลือบด้วยสารเคลือบที่แข็งและมีแรงเสียดทานต่ำ เช่น ไทเทเนียมคาร์ไบด์ (TiC) หรือโครเมียมไนไตรด์ (CrN) เพื่อยืดอายุการใช้งาน นอกจากนี้ เครื่องกดเองก็จำเป็นต้องมีความแข็งแรงพอเพียงในการป้องกันการโก่งตัวภายใต้แรงภาระสูงเหล่านี้ มิฉะนั้นจะทำให้ความคลาดเคลื่อนของชิ้นงานเกินค่าที่กำหนด

สำหรับผู้ผลิตที่เผชิญกับความต้องการอุปกรณ์ที่สูงขึ้น การร่วมมือกับผู้ให้บริการงานแปรรูปเฉพาะทางมักเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพที่สุด Shaoyi Metal Technology เสนอโซลูชันการตัดแตะอย่างครบวงจร ที่เชื่อมช่องว่างจากการผลิตต้นแบบสู่การผลิตจำนวนมาก ด้วยขีดความสามารถของเครื่องอัดขึ้นรูปได้สูงสุดถึง 600 ตัน และการรับรองมาตรฐาน IATF 16949 ทำให้มีความพร้อมในการรองรับข้อกำหนดด้านแรงอัดและระดับความแม่นยำสูงสำหรับเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง เช่น เกรด DP และ DH สำหรับชิ้นส่วนสำคัญอย่างแขนควบคุม (control arms) และโครงย่อย (subframes)

การบ่มแข็งและการทำงานขั้นสุดท้าย

หนึ่งในข้อได้เปรียบที่ซ่อนอยู่ของเหล็กกล้าแบบ Dual Phase คือ ปรากฏการณ์ "Bake Hardening" (BH) ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการอบเคลือบสีรถยนต์ โดยทั่วไปที่อุณหภูมิประมาณ 170°C เป็นเวลา 20 นาที ระหว่างกระบวนการทางความร้อนนี้ อะตอมคาร์บอนอิสระในโครงสร้างจุลภาคของเหล็กจะแพร่ตัวและยึดตำแหน่งการเลื่อนที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการขึ้นรูปด้วยแรงอัด

กลไกนี้ส่งผลให้ความต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น 50 ถึง 100 เมกะพาสคัล โดยไม่กระทบต่อขนาดของชิ้นส่วน การเพิ่มขึ้นของความแข็งแรงแบบสถิตย์นี้ทำให้วิศวกรยานยนต์สามารถ "ลดขนาดความหนา" (ใช้วัสดุที่บางลง) เพื่อลดน้ำหนักรถยนต์ ขณะเดียวกันก็รับประกันว่าชิ้นส่วนสุดท้ายจะผ่านเกณฑ์ความปลอดภัยจากการชนได้ การรวมกันของงานแข็งตัวจากการขึ้นรูปในโรงงานกดและกระบวนการแข็งตัวจากเตาอบสี ทำให้ชิ้นส่วนสุดท้ายมีความสามารถในการดูดซับพลังงานได้อย่างยอดเยี่ยม ส่งผลให้เหล็กกล้า DP เป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างนิรภัย เช่น เสา B, รางหลังคา และชิ้นส่วนแนวกากบาท

บทสรุป: การปรับแต่งเพื่อการผลิต AHSS

เหล็กกล้าแบบดูอัลเฟส (Dual Phase steel) ถือเป็นจุดสมดุลที่สำคัญในวิศวกรรมยานยนต์สมัยใหม่ โดยให้ความแข็งแรงที่จำเป็นต่อการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัย และความเหนียวที่ต้องการสำหรับความเป็นไปได้ในการผลิต แม้ว่าวัสดุชนิดนี้จะมีความท้าทายเฉพาะตัว โดยเฉพาะในเรื่องการควบคุมการเด้งกลับ (springback) และการสึกหรอของแม่พิมพ์ แต่ปัญหาเหล่านี้สามารถแก้ไขได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการออกแบบแม่พิมพ์โดยอาศัยข้อมูลเชิงลึกและการเลือกเครื่องอัดขึ้นรูปที่เหมาะสม โดยการเคารพหลักฟิสิกส์เฉพาะตัวของโครงสร้างจุลภาคแบบเฟอไรต์-มาร์เทนไซต์ และการปรับพารามิเตอร์ต่าง ๆ เช่น ช่องว่างของหัวตอก (punch clearance) ให้อยู่ในช่วงที่แนะนำคือ 12–14% ผู้ผลิตจึงสามารถใช้ประโยชน์จากศักยภาพของวัสดุอเนกประสงค์ชนิดนี้ได้อย่างเต็มที่ ทั้งในด้านการลดน้ำหนักและประสิทธิภาพการใช้งาน

คำถามที่พบบ่อย

1. เหล็กกล้าแบบดูอัลเฟส (Dual Phase steel) แตกต่างจากเหล็ก HSLA อย่างไร?

แม้ว่าเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงโลหะผสมต่ำ (HSLA) จะพึ่งพาธาตุโลหะผสมขนาดเล็กในการทำให้เกิดการแข็งตัวแบบตกตะกอน แต่เหล็กกล้าแบบดูอัลเฟส (DP) จะพึ่งพาโครงสร้างจุลภาคสองเฟสที่ประกอบด้วยเฟอไรต์และมาร์เทนไซต์ สิ่งนี้ทำให้เหล็กกล้า DP มีอัตราส่วนของแรงครากต่อแรงดึงต่ำกว่า (~0.6 เทียบกับ 0.8 สำหรับ HSLA) และมีอัตราการขึ้นรูปเริ่มต้นที่สูงกว่า ทำให้มีความสามารถในการขึ้นรูปได้ดีกว่าในระดับความต้านทานแรงดึงที่เท่ากัน

2. ช่องว่างของปากกาที่แนะนำสำหรับการตัดแตะเหล็กกล้า DP คือเท่าใด

ช่องว่างของปากกาแบบมาตรฐานที่ใช้กับเหล็กอ่อน (ประมาณ 9%) โดยทั่วไปจะแคบเกินไปสำหรับเหล็กกล้า DP และอาจทำให้เกิดการแตกร้าวที่ขอบได้ แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในอุตสาหกรรมแนะนำให้เพิ่มช่องว่างของปากกาเป็น 12–14%ของความหนาของวัสดุ เพื่อปรับปรุงคุณภาพของขอบและอายุการใช้งานของเครื่องมือ

3. อะไรเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์สปริงแบ็กในเหล็กกล้าแบบดูอัลเฟส

การเด้งกลับเกิดจากความสามารถในการคืนตัวสูงของวัสดุหลังจากการขึ้นรูป เหล็กกล้าแบบดูอัลเฟส (DP steel) มีอัตราการแข็งตัวจากการทำงานสูง ซึ่งหมายความว่าจะกักเก็บพลังงานยืดหยุ่นไว้มากในระหว่างการเปลี่ยนรูปร่าง เมื่อแม่พิมพ์เปิด พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมา ทำให้ชิ้นส่วนเด้งกลับหรือโค้งงอ จึงจำเป็นต้องชดเชยโดยการออกแบบแม่พิมพ์ให้มีการโค้งเกิน (over-crowning) หรือการตีซ้ำ (restriking)

4. เหล็กกล้าแบบดูอัลเฟสสามารถเชื่อมได้หรือไม่

ใช่ เหล็กกล้าดูอัลเฟสโดยทั่วไปมีความสามารถในการเชื่อมที่ดี แต่ต้องพิจารณาค่าคาร์บอนสมมูลเฉพาะเจาะจง ถึงแม้ว่าเกรดความแข็งแรงต่ำ (DP590) จะสามารถเชื่อมจุดได้ง่าย แต่เกรดความแข็งแรงสูง (DP980 ขึ้นไป) อาจต้องมีการปรับค่าพารามิเตอร์การเชื่อม เช่น เพิ่มแรงดันของขั้วไฟฟ้า หรือใช้กำหนดการพัลส์เฉพาะ เพื่อป้องกันการแตกร้าวอย่างเปราะในเขตที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนของการเชื่อม