คุณสมบัติเหล็กกล้าแปรรูปด้วยความร้อน: คู่มือเทคนิคเกี่ยวกับความแข็งแรงและการขึ้นรูป

สรุปสั้นๆ

เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงจากการขึ้นรูปด้วยความร้อน (PHS) หรือที่รู้จักกันในชื่อเหล็กกล้าบอรอนหรือเหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการตีขึ้นรูปแบบร้อน เป็นโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงมาก (โดยทั่วไปคือ 22MnB5) ซึ่งออกแบบมาเพื่อใช้ในชิ้นส่วนความปลอดภัยของยานยนต์ โดยปกติจะจัดส่งในสถานะเฟอร์ไรต์-เพิร์ลไลต์ที่สามารถขึ้นรูปได้ง่าย (ความต้านทานแรงดึง ~300–600 MPa) แต่จะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่มีความแข็งสูงมาก (ความต้านทานแรงดึง 1300–2000 MPa) หลังจากถูกให้ความร้อนจนถึงประมาณ 900°C แล้วจึงทำการดับในแม่พิมพ์ที่มีการระบายความร้อน กระบวนการนี้ช่วยลดการเด้งกลับ ทำให้สามารถขึ้นรูปชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน และช่วยลดน้ำหนักอย่างมากในโครงสร้างสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการชน เช่น เสา A และกันชน

เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงจากการขึ้นรูปด้วยความร้อน (PHS) คืออะไร?

เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงจากการอบอ่อน (PHS) ซึ่งมักถูกเรียกในอุตสาหกรรมยานยนต์ว่า เหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการรีดขึ้นรูปขณะร้อน หรือเหล็กกล้าที่ขึ้นรูปขณะร้อน เป็นเหล็กกล้าที่ผสมด้วยธาตุโบรอน ซึ่งต้องผ่านกระบวนการขึ้นรูปทางความร้อนและกลไกพิเศษ ต่างจากเหล็กกล้าที่ขึ้นรูปแบบเย็นทั่วไปที่ทำที่อุณหภูมิห้อง โดย PHS จะถูกให้ความร้อนจนเข้าสู่สถานะออกเทนไนติก แล้วจึงขึ้นรูปและดับความร้อนพร้อมกันภายในแม่พิมพ์ที่มีการระบายความร้อน

เกรดมาตรฐานสำหรับกระบวนการนี้คือ 22MnB5 ซึ่งเป็นโลหะผสมของคาร์บอน-แมงกานีส-โบรอน การเติมธาตุโบรอน (โดยทั่วไปประมาณ 0.002–0.005%) มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะช่วยเพิ่มความสามารถในการดับความร้อนของเหล็กกล้าได้อย่างมาก ทำให้สามารถเกิดโครงสร้างมาร์เทนไซต์เต็มรูปแบบได้แม้อัตราการเย็นตัวจะไม่สูงมาก หากไม่มีโบรอน วัสดุอาจเปลี่ยนแปลงไปเป็นเฟสที่นิ่มกว่า เช่น เฟสเบนไนต์หรือเพอร์ไลต์ ในระหว่างขั้นตอนการดับความร้อน ทำให้ไม่สามารถบรรลุความแข็งแรงตามเป้าหมายได้

การเปลี่ยนแปลงพื้นฐานที่ทำให้ PHS มีคุณค่าคือ โครงสร้างจุลภาค โดยวัสดุจะถูกจัดส่งในรูปแบบของแผ่นเหล็กเฟอร์ไรต์-เพิร์ไลต์ที่มีความอ่อนนุ่ม ซึ่งสามารถตัดและจัดการได้ง่าย ระหว่างกระบวนการขึ้นรูปร้อน วัสดุจะถูกให้ความร้อนเกินอุณหภูมิออสเทนไนต์ (โดยทั่วไปประมาณ 900–950°C) เมื่อชิ้นงานร้อนถูกยึดแน่นในแม่พิมพ์ จะมีการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว (อัตราการเย็นตัวเกิน 27°C/s) การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วนี้ทำให้ไม่เกิดโครงสร้างจุลภาคที่นิ่ม และเปลี่ยนแปลงออสเทนไนต์ให้กลายเป็น มาร์เทนไซต์ โดยตรง ซึ่งเป็นโครงสร้างเหล็กที่แข็งที่สุด

คุณสมบัติทางกล: สภาพก่อนจัดส่ง เทียบกับ หลังอบแข็ง

สำหรับวิศวกรและผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อ ประเด็นที่สำคัญที่สุดของคุณสมบัติเหล็กขึ้นรูปร้อนคือ ความแตกต่างอย่างมากระหว่างสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้าย ความแตกต่างทั้งสองสถานะนี้ทำให้วัสดุสามารถขึ้นรูปซับซ้อนได้ในขณะที่ยังอ่อนนุ่ม และให้ประสิทธิภาพสูงมากเมื่ออยู่ในสภาพแข็ง

ตารางด้านล่างเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกลโดยทั่วไปของเกรด 22MnB5 มาตรฐานก่อนและหลังกระบวนการขึ้นรูปร้อน:

การวิเคราะห์ความต้านทานต่อการคราก: ความต้านทานต่อการครากรวมถึงสามเท่าในระหว่างกระบวนการ ในขณะที่วัสดุที่จัดส่งมาจะมีพฤติกรรมคล้ายกับเหล็กโครงสร้างมาตรฐาน ชิ้นส่วนสำเร็จรูปจะกลายเป็นแข็งแรงและทนทานต่อการเสียรูป ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในกรงนิรภัยป้องกันการบุกรุก

ความแข็งและความสามารถในการกลึง: ความแข็งสุดท้ายที่ 470–510 HV ทำให้การตัดแต่งด้วยเครื่องจักรหรือการตอกเจาะทำได้ยากมาก และมีแนวโน้มทำให้เครื่องมือสึกหรอ ดังนั้น การตัดแต่งส่วนใหญ่ของชิ้นส่วน PHS สำเร็จรูปจึงมักใช้การตัดด้วยเลเซอร์ (ดู ข้อมูลเทคนิคจาก SSAB ) หรือแม่พิมพ์ตัดพิเศษสำหรับวัสดุแข็ง โดยดำเนินการทันทีก่อนที่ชิ้นส่วนจะเย็นตัวสมบูรณ์

เกรด PHS ทั่วไปและองค์ประกอบทางเคมี

ถึงแม้ว่า 22MnB5 จะยังคงเป็นเกรดหลักในอุตสาหกรรม แต่ความต้องการชิ้นส่วนที่เบากว่าและแข็งแรงกว่า ได้นำไปสู่การพัฒนาเกรดย่อยหลายประเภท วิศวกรมักเลือกใช้เกรดต่างๆ ตามความสมดุลระหว่างความแข็งแรงสูงสุดและความเหนียวที่จำเป็นสำหรับการดูดซับพลังงาน

• PHS1500 (22MnB5): เกรดมาตรฐานที่มีความต้านทานแรงดึงประมาณ 1500 MPa มีคาร์บอนประมาณ 0.22% แมงกานีส 1.2% และโบรอนในปริมาณเล็กน้อย สมดุลระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวเพียงพอสำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัยส่วนใหญ่
• PHS1800 / PHS2000: เกรดเหล็กความแข็งแรงสูงพิเศษรุ่นใหม่ที่เพิ่มความต้านทานแรงดึงได้ถึง 1800 หรือ 2000 MPa โดยการเพิ่มปริมาณคาร์บอนเล็กน้อยหรือปรับเปลี่ยนองค์ประกอบโลหะผสม (เช่น ซิลิคอน/ไนโอเบียม) แต่อาจมีความเหนียวน้อยลง เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่เน้นการต้านทานการบุกรุกเป็นหลัก เช่น คานกันชนหรือรางหลังคา
• เกรดแบบเหนียว (PHS1000 / PHS1200): เรียกอีกอย่างว่าเหล็กกล้าอบแข็งโดยการอัด (Press Quenched Steels - PQS) เกรดเหล่านี้ (เช่น PQS450 หรือ PQS550) ถูกออกแบบมาเพื่อรักษาระดับการยืดตัวที่สูงขึ้น (10–15%) หลังจากการทำให้แข็ง โดยมักใช้ในโซน 'นิ่ม' ของเสากลางรถ (B-pillar) เพื่อดูดซับพลังงานขณะเกิดการชน แทนที่จะถ่ายโอนพลังงานออกไป

องค์ประกอบทางเคมีถูกควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อป้องกันปัญหา เช่น การเปราะตัวจากไฮโดรเจน โดยเฉพาะในเกรดที่มีความแข็งแรงสูง ปริมาณคาร์บอนโดยทั่วไปจะถูกควบคุมให้อยู่ต่ำกว่า 0.30% เพื่อรักษาน้ำหนักการเชื่อมที่เหมาะสม

การเคลือบและการต้านทานการกัดกร่อน

เหล็กกล้าที่ไม่มีการเคลือบจะเกิดออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วเมื่อถูกให้ร้อนที่อุณหภูมิ 900°C ทำให้เกิดคราบผิวแข็งที่สามารถทำลายแม่พิมพ์ขึ้นรูป และจำเป็นต้องทำความสะอาดด้วยวิธีกัดกร่อน (การพ่นลูกเหล็ก) หลังจากการขึ้นรูป เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ งานประยุกต์ใช้งาน PHS ในยุคปัจจุบันส่วนใหญ่จะใช้แผ่นที่มีการเคลือบล่วงหน้า

อลูมิเนียม-ซิลิคอน (AlSi): นี่คือการเคลือบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับกระบวนการขึ้นรูปแบบร้อนโดยตรง ช่วยป้องกันการเกิดคราบผิวระหว่างการให้ความร้อน และให้การป้องกันการกัดกร่อนแบบกั้นชั้น การเคลือบ AlSi จะทำปฏิกิริยากับเหล็กในระหว่างขั้นตอนการให้ความร้อน สร้างผิวหน้าที่ทนทานต่อแรงเสียดทานไถลของแม่พิมพ์ ต่างจากสังกะสี ซึ่งไม่ได้ให้การป้องกันแบบเกลวานิก (การซ่อมแซมตัวเอง)

การเคลือบด้วยสังกะสี (Zn): การเคลือบด้วยสังกะสี (ชุบสังกะสีหรือชุบสังกะสีแบบแกลวาเนลด์) มีคุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อนแบบแคโทดิกที่เหนือกว่า ซึ่งมีประโยชน์สำหรับชิ้นส่วนที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมเปียก (เช่น แผงข้างตัวถัง) อย่างไรก็ตาม การขึ้นรูปแบบร้อนมาตรฐานอาจทำให้เกิด การเปราะตัวจากโลหะเหลว (Liquid Metal Embrittlement - LME) โดยสังกะสีในสถานะของเหลวจะแทรกซึมเข้าไปตามแนวขอบเกรนของเหล็ก ทำให้เกิดรอยแตกจุลภาค จึงจำเป็นต้องใช้กระบวนการพิเศษแบบ "อ้อม" หรือเทคนิค "ลดอุณหภูมิล่วงหน้า" เพื่อจัดการกับเหล็ก PHS ที่มีการเคลือบสังกะสีอย่างปลอดภัย

ข้อได้เปรียบทางวิศวกรรมหลัก

การนำคุณสมบัติของเหล็กขึ้นรูปแบบร้อนมาใช้นั้น เกิดจากความท้าทายด้านวิศวกรรมเฉพาะในด้านการออกแบบยานพาหนะ วัสดุชนิดนี้ให้ทางออกที่เหล็กความแข็งแรงสูงความถี่ต่ำ (HSLA) หรือเหล็กแบบดูอัลเฟส (DP) ที่ขึ้นรูปเย็นไม่สามารถเทียบเคียงได้

• การลดน้ำหนักอย่างสุดขีด: ด้วยการใช้ความแข็งแรงที่ระดับ 1500 MPa หรือสูงกว่า วิศวกรสามารถลดความหนาของชิ้นส่วน (downgauging) โดยไม่กระทบต่อความปลอดภัย ชิ้นส่วนที่เคยหนา 2.0 มม. ในเหล็กทั่วไป อาจลดลงเหลือ 1.2 มม. ในเหล็ก PHS ช่วยประหยัดน้ำหนักได้อย่างมาก
• ไม่มีการเด้งกลับหลังขึ้นรูป (Zero Springback): ในการตัดแตะเย็น เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงมีแนวโน้มที่จะ "เด้งกลับ" ไปยังรูปร่างเดิมหลังจากแม่พิมพ์เปิด ทำให้การควบคุมความแม่นยำของมิติเป็นเรื่องยาก PHS เกิดขึ้นขณะที่เหล็กอยู่ในสภาพร้อนและอ่อนนิ่ม (ออสเทนไนต์) และจะแข็งตัวขณะถูกจำกัดไว้ในแม่พิมพ์ ซึ่งช่วยล็อกเรขาคณิตของชิ้นงานไว้ ทำให้เกือบไม่มีการเด้งกลับเลยและได้มิติที่แม่นยำอย่างยิ่ง
• รูปร่างซับซ้อน: เนื่องจากการขึ้นรูปเกิดขึ้นเมื่อเหล็กอยู่ในสภาพที่ขึ้นรูปได้ง่าย (~900°C) จึงสามารถขึ้นรูปเป็นรูปทรงซับซ้อนที่มีการดึงลึกและรัศมีแคบในครั้งเดียว—ซึ่งรูปทรงดังกล่าวจะแยกหรือแตกร้าวหากพยายามทำด้วยเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงพิเศษในสภาพเย็น

การประยุกต์ใช้งานในรถยนต์โดยทั่วไป

PHS เป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับ "กรงนิรภัย" ของยานยนต์สมัยใหม่ โครงสร้างที่แข็งแรงซึ่งออกแบบมาเพื่อปกป้องผู้โดยสารในระหว่างการชน โดยป้องกันไม่ให้ห้องโดยสารยุบตัวเข้ามา

ชิ้นส่วนสำคัญ

การใช้งานทั่วไป ได้แก่ เสากันชน A, เสากันชน B, รางหลังคา, ชิ้นส่วนเสริมแรงบริเวณอุโมงค์, แผงด้านข้างตัวถัง, และคานกันการแทรกซึมบริเวณประตู . ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตได้เริ่มการรวมระบบ PHS เข้าไปในเปลือกแบตเตอรี่สำหรับยานพาหนะไฟฟ้า เพื่อปกป้องโมดูลจากการชนด้านข้าง

คุณสมบัติเฉพาะทาง

การผลิตขั้นสูงทำให้สามารถใช้เทคโนโลยี "Tailored Tempering" ได้ โดยโซนเฉพาะบางส่วนของชิ้นส่วนเดียวกัน (เช่น ด้านล่างของเสา B) จะถูกทำให้เย็นลงช้ากว่าเพื่อคงความนุ่มและเหนียว ขณะที่ส่วนบนจะกลายเป็นแข็งเต็มที่ การรวมกันนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของชิ้นส่วนทั้งในการต้านทานการแทรกซึมและการดูดซับพลังงาน

สำหรับผู้ผลิตที่ต้องการนำวัสดุขั้นสูงเหล่านี้มาใช้ การร่วมมือกับผู้ผลิตเฉพาะทางถือเป็นสิ่งจำเป็น บริษัทอย่าง เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ มีบริการครบวงจรด้านชิ้นส่วนขึ้นรูปอัดแรงสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ สามารถรองรับความต้องการเครื่องจักรแรงอัดสูง (สูงสุดถึง 600 ตัน) และจัดการความต้องการแม่พิมพ์ที่แม่นยำสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์ที่ซับซ้อน ตั้งแต่การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วจนถึงการผลิตจำนวนมากภายใต้มาตรฐาน IATF 16949

สรุป

คุณสมบัติของเหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการฮาร์ดดิ้งด้วยแรงอัด (Press Hardening Steel) แสดงถึงความร่วมมืออย่างสำคัญระหว่างวิชาโลหะวิทยาและกระบวนการผลิต โดยการใช้ประโยชน์จากการเปลี่ยนเฟสจากเฟอร์ไรต์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ ทำให้วิศวกรสามารถสร้างวัสดุที่สามารถขึ้นรูปได้ดีสำหรับการออกแบบที่ซับซ้อน แต่ในขณะเดียวกันก็มีความแข็งแรงเพียงพอในการปกป้องชีวิต เมื่อเกรดของวัสดุพัฒนาไปสู่ระดับ 2000 MPa และสูงกว่า PHS จะยังคงเป็นองค์ประกอบหลักในกลยุทธ์ด้านความปลอดภัยและการลดน้ำหนักรถยนต์

คำถามที่พบบ่อย

1. ความแตกต่างระหว่างการตัดขึ้นรูปแบบร้อน (hot stamping) กับการฮาร์ดดิ้งด้วยแรงอัด (press hardening) คืออะไร

ไม่มีความแตกต่างกัน; คำทั้งสองใช้แทนกันได้ "การฮาร์ดดิ้งด้วยแรงอัด" หมายถึงกระบวนการฮาร์ดดิ้งเชิงโลหะวิทยาที่เกิดขึ้นภายในเครื่องอัด ในขณะที่ "การตัดขึ้นรูปแบบร้อน" หมายถึง วิธีการขึ้นรูป ทั้งสองคำอธิบายลำดับกระบวนการผลิตเดียวกัน ซึ่งใช้ในการผลิตชิ้นส่วนเหล็กมาร์เทนไซต์ที่มีความแข็งแรงสูง

2. เพราะเหตุใดต้องเติมโบโรนลงในเหล็กกล้าสำหรับการฮาร์ดดิ้งด้วยแรงอัด

การเติมโบรอนในปริมาณเล็กน้อย (0.002–0.005%) จะช่วยเพิ่มความสามารถในการทำให้เหล็กกล้าแข็งตัวได้ดีขึ้นอย่างมาก โดยจะช่วยชะลอการเกิดโครงสร้างจุลภาคที่อ่อนกว่า เช่น เฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์ ระหว่างกระบวนการเย็นตัว ทำให้มั่นใจได้ว่าเหล็กจะเปลี่ยนโครงสร้างไปเป็นมาร์เทนไซต์ที่แข็งเต็มที่ แม้ในอัตราการเย็นตัวที่เกิดขึ้นจริงในแม่พิมพ์ขึ้นรูปแบบอุตสาหกรรม

3. เหล็กกล้าที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยความร้อนสามารถเชื่อมได้หรือไม่

ได้ เหล็ก PHS สามารถเชื่อมได้ แต่ต้องใช้พารามิเตอร์เฉพาะ เนื่องจากวัสดุมักมีปริมาณคาร์บอนประมาณ 0.22% จึงสามารถใช้กับการเชื่อมแบบต้านทานจุด (RSW) และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ได้ อย่างไรก็ตาม การเชื่อมจะทำให้โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) อ่อนตัวลงเล็กน้อย ซึ่งจำเป็นต้องคำนึงถึงในการออกแบบ สำหรับเหล็กเคลือบ AlSi จำเป็นต้องกำจัดชั้นเคลือบออกก่อน (โดยใช้เทคนิคลบด้วยเลเซอร์) หรือจัดการอย่างระมัดระวังระหว่างการเชื่อม เพื่อป้องกันการปนเปื้อนในแนวเชื่อม