การเลือกเหล็กกล้าสำหรับขึ้นรูปรถยนต์: เกณฑ์ทางวิศวกรรม

สรุปสั้นๆ

การเลือกเกรดเหล็กที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการตอกโลหะในอุตสาหกรรมยานยนต์ จำเป็นต้องมีความสมดุลที่แม่นยำระหว่างตัวแปรสามประการ ได้แก่ ความสามารถในการขึ้นรูป (ความเหนียว), ความแข็งแรงเชิงกลศาสตร์ (แรงดึง/แรงคราก) และต้นทุนการผลิต ถึงแม้ว่าเหล็กคาร์บอนต่ำ เช่น SAE 1008 จะยังคงเป็นมาตรฐานสำหรับชิ้นส่วนตัวถังที่มองเห็นได้เนื่องจากผิวเรียบที่เหนือกว่า แต่ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในปัจจุบันได้ผลักดันให้อุตสาหกรรมเปลี่ยนมาใช้เหล็กความแข็งแรงสูงชนิดผสมโลหะต่ำ (HSLA) และเหล็กความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) เพื่อความแข็งแกร่งของโครงสร้าง การเลือกวัสดุที่ประสบความสำเร็จขึ้นอยู่กับความเข้าใจในการแลกเปลี่ยนระหว่างความสามารถของโลหะในการยืดตัวโดยไม่ฉีกขาด กับความสามารถในการดูดซับพลังงานขณะเกิดการชน

ปัจจัยสำคัญในการคัดเลือก: เกณฑ์ทางวิศวกรรม

ก่อนระบุเกรด วิศวกรต้องประเมินคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุเทียบกับเรขาคณิตและหน้าที่ของชิ้นส่วน โดยทั่วโลกยอมรับว่าการเลือกใช้วัสดุในการตอกขึ้นรูปในอุตสาหกรรมยานยนต์มีข้อแลกเปลี่ยนหลักดังนี้: เมื่อความแข็งแรงเพิ่มขึ้น ความสามารถในการขึ้นรูปมักจะลดลง ความสัมพันธ์ผกผันนี้กำหนดว่าวัสดุที่เลือกสำหรับชิ้นส่วนที่ตอกลึกต้องให้ความสำคัญกับค่าการยืดอย่างมาก ในขณะี่ส่วนที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยจะให้ความสำคัญกับความต้านทานดึงเป็นหลัก

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักสำหรับวัสดุที่ตอกขึ้นรูป รวมถึง:

• ความต้านทานให้ริเริ่ม (Yield Strength) เทียบกับ ความต้านทานดึง (Tensile Strength): ความต้านทานให้ริเริ่มกำหนดขีดจำกของการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น ในขณะที่ความต้านทานดึงกำหนดจุดที่เกิดการหักหรือการแตก สำชิ้นส่วนโครงสร้าง จุดให้ริเริ่มที่สูงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันการเปลี่ยนรูปถาวรภายใต้แรงที่กระทำ
• ค่าการยืด (n-value): เลขชี้กำลังการแข็งจากพลาสติก (n-value) บ่งชี้ถึงความสามารถของเหล็กในการกระจายแรงอย่างสม่ำเสมอ ค่า n ที่สูงช่วยให้สามารถขึ้นรูปรูปร่างที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยไม่เกิดการบางท้องหรือฉีกขาดในจุดเฉพาะ
• ค่าความไม่สมมาตร (r-value): สิ่งนี้วัดความต้านทานการบางตัวของวัสดุ ค่า r สูงมีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการขึ้นรูปแบบดึงลึก เช่น ฝาครอบเครื่องยนต์หรือถังเชื้อเพลิง

ประสิทธิภาพด้านต้นทุนก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน แม้ว่าเหล็กกล้าเกรดขั้นสูงจะช่วยลดน้ำหนักได้ แต่มักต้องใช้เครื่องอัดแรงดันสูงกว่าและชั้นเคลือบแม่พิมพ์ที่มีราคาแพงกว่าเพื่อจัดการกับการสึกหรอที่เพิ่มขึ้น ตามข้อมูลจาก Worthy Hardware การเข้าใจพารามิเตอร์เหล่านี้คือก้าวแรกในการหลีกเลี่ยงความล้มเหลวในการผลิตที่มีค่าใช้จ่ายสูง เช่น การฉีกขาดหรือการเด้งกลับมากเกินไป

เหล็กกล้าคาร์บอนมาตรฐาน (เกรดที่ใช้กันทั่วไป)

เหล็กกล้าคาร์บอนยังคงเป็นหัวใจหลักของการผลิตรถยนต์ โดยคิดเป็นสัดส่วนมากของน้ำหนักรถยนต์ทั้งหมด เกรดต่างๆ เหล่านี้จัดประเภทตามปริมาณคาร์บอนซึ่งมีผลโดยตรงต่อความแข็งและความเหนียว

เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและเหล็กกล้าอ่อน (SAE 1008, 1010)

เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าเหล็กกล้าอ่อน มักมีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่า 0.25% เกรดเช่น SAE 1008 และ SAE 1010 เป็นมาตรฐานของอุตสาหกรรมสําหรับส่วนผิวที่เห็นได้ "ประเภท A" เช่น แฟนเดอร์, ฮูป และแผ่นประตู ความยืดหยุ่นสูงของพวกเขา ทําให้พวกเขาสามารถ stamped ในซับซ้อน, กลม sweeping โดยไม่แตก นอกจากนี้ มันยังสามารถเชื่อมและทาสีได้ง่าย ทําให้มันเหมาะสมสําหรับการประกอบ Body-in-White (BIW)

เหล็กคาร์บอนกลางและสูง (SAE 1045, 1095)

เมื่อสารคารคาร์บอนเพิ่มขึ้น เหล็กจะแข็งแรงขึ้น แต่ไม่ค่อยสามารถปรับรูปได้ คาร์บอนขนาดกลาง เช่น SAE 1045 ใช้สําหรับชิ้นส่วนที่ต้องการความทนทานต่อการสวมเสื้อสูงขึ้น เช่น เกียร์หรือบราคเกต เหล็กคาร์บอนสูง เช่น SAE 1095 , ใช้งานได้ดีที่สุดในแอพลิเคชั่นที่ต้องการความแข็งแรงและการยึดทรงอย่างมาก เช่นสปริงหรือคลิม Talan Products หมายเหตุว่า แม้ว่าเกรดเหล่านี้จะมีความทนทานสูงกว่า แต่มันท้าทายกระบวนการ stamping โดยที่มักต้องใช้หลายระยะการสร้างหรือการรักษาด้วยความร้อน

เหล็กแข็งแรงสูงและยกระดับสูง (HSLA & AHSS)

เพื่อตอบสนองกับมาตรฐานการประหยัดเชื้อเพลิงที่เข้มข้นและกฎหมายความปลอดภัยจากการชน, วิศวกรรถยนต์กําลังหันไปยังสแตนเลสความแข็งแรงสูง (HSLA) และสแตนเลสความแข็งแรงสูง (AHSS) วัสดุเหล่านี้ทําให้ผู้ผลิตสามารถใช้วัดที่บางกว่า (downgauging) เพื่อลดน้ําหนักโดยไม่เสียสละความสมบูรณ์แบบของโครงสร้าง

เหล็ก HSLA จะได้รับความแข็งแรงของพวกเขาโดยการผสมผสานขนาดเล็กกับธาตุ เช่น วานาดิอุม หรือไนโอเบียม พวกมันถูกใช้อย่างแพร่หลายสําหรับส่วนประกอบของชาสซี่, แขนแขวนและการเสริม AHSS , รวมถึงเหล็กระยะสอง (DP) และเหล็กปลาสติกิตที่เกิดจากการแปลง (TRIP) ให้ความแข็งแรงต่อน้ําหนักที่รุนแรงมากขึ้น

การประมวลีเหล่านี้ต้องการความสามารถที่เชี่ยวชาญเฉพาะ ความแข็งแรงที่สูงขึ้นทำให้เกิดปรากฏการณ์ "สปริงแบ็ค" อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเป็นลักษณะของโลหะที่มีแนวโน้มคืนรูปไปเป็นรูปร่างเดิมหลังจากการตอกขึ้นรูป การแก้ปัญหานี้จำเป็นต้องมีการออกแบบแม่พิมพ์ขั้นสูงและสายการกดที่ทนทาน สำหรองชิ้นส่วนโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น แขนควบคุมหรือซับเฟรม การร่วมมือกับผู้ผลิตที่มีความสามารถในการจัดการความต้องการแรงดันสูงเป็นสิ่งที่จำเป็น บริษัทต่างๆ เช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ ใช้ความแม่นยำที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 และความสามารถของเครื่องกดที่สูงถึง 600 ตัน เพื่อจัดส่งชิ้นส่วนความปลอดภัยที่สำคัญเหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตัวเลือกที่ต้านทานการกัดกร่อนและสแตนเลส

สำหรับชิ้นส่วนที่สัมผัดกับสิ่งแวดล้อมที่รุนแรง เช่น ระบบไอเสียหรือตกแต่งภายนอก การต้านทานการกัดกร่อนจะกลายเป็นปัจจัยตัดสิน ในขณะที่การชุบดีบุก (เคลือบสังกะสี) สามารถป้องกันแผ่นตัวถังเหล็กกล้าคาร์บอน แต่การใช้งานบางประเภทต้องการคุณสมบัติในตัวของสแตนเลสสตีล

สแตนเลสสตีลแบบเฟอร์ไรต์ (ซีเรียส 400): เกรด 409 เป็นตัวเลือกหลักสำหรับระบบไอเสียในยานยนต์ เนื่องจากมีความต้านทานการกัดกร่อนในระดับที่เพียงพอ ในราคาที่ต่ำกว่าเหล็กกล้าสแตนเลสซีรีส์ 300 และทนต่อการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง นอกจากนี้ยังเป็นวัสดุแม่เหล็กได้และสามารถขึ้นรูปได้ในระดับปานกลาง

เหล็กกล้าสแตนเลสแบบออสเทนนิติก (ซีรีส์ 300): เกรด 304 ให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่เหนือกว่า และมีพื้นผิวเรียบเนียนที่ไม่ใช่วัสดุแม่เหล็ก ซึ่งมีลักษณะสวยงามตาม Larson Tool and Stamping ระบุว่า เกรดนี้เป็นที่นิยมสำหรับชิ้นส่วนตกแต่ง เช่น ชายขอบตกแต่งล้อ หรือชิ้นส่วนที่ไม่ยอมให้เกิดสนิมได้ อย่างไรก็ตาม วัสดุนี้มีราคาสูงกว่า และมีแนวโน้มเกิดการแข็งตัวขณะขึ้นรูป (work hardening) ซึ่งอาจทำให้กระบวนการตัดขึ้นรูป (stamping) ซับซ้อนมากขึ้น

การจับคู่การใช้งาน: เกรดใดเหมาะกับชิ้นส่วนใด?

การเลือกวัสดุที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่งและการใช้งานของชิ้นส่วนภายในโครงสร้างของยานยนต์ โดยเมทริกซ์การตัดสินใจนี้จะช่วยให้กระบวนการคัดเลือกวัสดุเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ

• ภายนอกที่มองเห็นได้ (แผ่นเปลือกนอก) ให้ความสำคัญกับคุณภาพพื้นผิวและการขึ้นรูป การใช้งาน: เหล็กคาร์บอนต่ำ / เหล็ก IF / เหล็กที่แข็งตัวจากการอบ (Bake Hardenable Steel)
• กรงนิรภัย (เสากลาง, รางหลังคา): ให้ความสำคัญเป็นอันดับแรกในด้านการดูดซับพลังงานและการป้องกันการชน การใช้งาน: เหล็กสองเฟส (DP) หรือเหล็กบอรอน (ร้อนสเตมป์)
• แชสซีและระบบกันสะเทือน: ให้ความสำคัญเป็นอันดับแรกในด้านความต้านทานต่อการเหนื่อยล้าและความทนทาน การใช้งาน: HSLA 350/420
• ท่อไอเสียและแผ่นกันความร้อน: ให้ความสำคัญเป็นอันดับแรกในด้านความต้านทานต่อความร้อนและการกัดกร่อน การใช้งาน: สแตนเลส 409 หรือเหล็กชุบอะลูมิเนียม

โดยการจับคู่คุณสมบัติของวัสดูกับสภาวะความเครียดและสิ่งแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจงของการใช้งาน วิศวกรสามารถรับประกันอายุการใช้งานและสมรรถนะ ขณะควบคุมต้นทุนการผลิต

สรุปกลยุทธ์การเลือกเหล็ก

การเปลี่ยนผ่านจากเหล็กกล้าอ่อนธรรมดาไปสู่โลหะผสมหลายเฟสที่ซับซ้อน แสดงถึงวิวัฒนาการของวิศวกรรมยานยนต์สมัยใหม่ โครงการขึ้นรูปชิ้นส่วนโดยการตัดหรือดัด (stamping) ที่ประสบความสำเร็จไม่ได้ขึ้นอยู่เพียงแค่กับการเลือกเกรดเหล็กจากตารางเท่านั้น แต่ต้องวิเคราะห์วงจรชีวิตทั้งหมดของชิ้นส่วน ตั้งแต่สายการกด (press line) ไปจนถึงห้องปฏิบัติการทดสอบการชน ไม่ว่าจะเป็นการปรับให้เหมาะสมตามความต้องการด้านการลดน้ำหนักของรถยนต์ไฟฟ้า หรือความทนทานแข็งแกร่งสำหรับรถบรรทุกเพื่อการพาณิชย์ เกรดเหล็กที่เหมาะสมจึงเป็นพื้นฐานสำคัญของความปลอดภัยและประสิทธิภาพในยานยนต์

คำถามที่พบบ่อย

1. เหล็ก HSLA กับเหล็กกล้าอ่อนต่างกันอย่างไรในการขึ้นรูป stamping?

เหล็ก HSLA (High-Strength Low-Alloy) มีความแข็งแรงสูงกว่าเหล็กกล้าอ่อนอย่างมาก เนื่องจากการเติมธาตุโลหะผสม ทำให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่บางและเบากว่าได้ อย่างไรก็ตาม เหล็ก HSLA มีความสามารถในการขึ้นรูปที่ต่ำกว่า และมีปัญหา springback สูงกว่า จึงต้องใช้แรงกดมากกว่าและต้องมีการชดเชยแบบแม่พิมพ์อย่างแม่นยำ เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าอ่อนที่มีความเหนียวและอ่อนนุ่ม ซึ่งใช้สำหรับชิ้นส่วนตัวถังที่ต้องขึ้นรูปลึก

2. ทำไมเหล็ก SAE 1008 จึงเป็นที่นิยมสำหรับแผ่นตัวถังรถยนต์?

SAE 1008 เป็นที่ต้องการเนื่องจากมีความสามารถในการขึ้นรูปได้ดีเยี่ยมและคุณภาพผิวเรียบที่ยอดเยี่ยม เนื้อเหล็กที่มีคาร์บอนต่ำทำให้สามารถดึงขึ้นรูปเป็นชิ้นส่วนซับซ้อนที่เรียบลื่นโดยไม่ฉีกขาด และยังให้พื้นผิวที่สม่ำเสมอเหมาะสำหรับการพ่นสี ซึ่งมีความสำคัญต่อความสวยงามของตัวถังภายนอกยานพาหนะ

3. สามารถใช้สแตนเลสสตีลสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างรถยนต์ได้หรือไม่?

แม้ว่าสแตนเลสสตีลจะมีความแข็งแรงมากและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี แต่โดยทั่วไปแล้วมีราคาสูงเกินไปเมื่อเทียบกับ AHSS หรือ HSLA จึงไม่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงสร้างคage ความปลอดภัย สแตนเลสสตีลจึงมักถูกจำกัดไว้สำหรับระบบไอเสีย (ทนต่ออุณหภูมิสูง) และชิ้นส่วนตกแต่ง (ทนต่อการกัดกร่อน) อย่างไรก็ตามอาจมีการใช้ในโครงสร้างสำหรับงานเฉพาะทางหรือยานยนต์สมรรถนะสูงบางประเภท