Коротко

The процес гарячого штампування бористої сталі також відомий як гаряче штампування — це термічний метод формування, який перетворює низьколеговану бористу сталь, зазвичай 22MnB5 , з ферито-перлітної мікроструктури (~600 МПа) у повністю мартенситний стан (~1500 МПа). Це перетворення досягається шляхом нагрівання заготовки до температур аустенітизації ( 900–950°C ) та наступного формування й гартування всередині водяного охолоджуваного інструменту зі швидкістю понад 27°C/с . Процес дозволяє виготовляти складні, легкі автотранспортні компоненти з надвисокою міцністю та без пружного повернення, такі як стійки B-стойки та рейки даху.

Фізика гарячого штампування: прямий та непрямий методи

Гаряче штампування не є однорідним процесом; воно поділяється на два окремі методи — Прямий та Непрямі —визначається тим, коли відбувається формування щодо термічного циклу. Розуміння цієї відмінності має критичне значення для інженерів-технологів, які вибирають обладнання для конкретних геометрій деталей.

Пряме гаряче штампування

Прямий метод є галузевим стандартом для більшості конструкційних елементів завдяки своїй ефективності. У цій послідовності плоска заготовка спочатку нагрівається в пічному агрегаті до приблизно 900–950°C щоб отримати однорідну аустенітну структуру. Нагріту заготовку потім швидко переносять (зазвичай за менше ніж 3 секунди) до преса, де вона одночасно формуються та загартовується в охолоджуваному інструменті. Цей метод є економічно вигідним, але обмежений формозмінністю матеріалу при високих температурах; надмірна глибина витягування може призвести до зменшення товщини або утворення тріщин.

Непряме гаряче штампування

Для деталей із надзвичайно складною геометрією, яка перевищує межі гарячої формозмінності сталі, застосовується непрямий метод. У цьому випадку заготовку попередньо обробляють холодним способом до форми, близької до остаточної (90–95% готовності) перед нагріванням. Потім попередньо сформовану деталь аустенітують у спеціальній печі та переміщують у прес для остаточної калібрування та загартування. Хоча це дозволяє отримувати складніші форми, значно зростає тривалість циклу та капіталовкладення через додатковий етап холодного штампування та необхідність систем обробки тривимірних форм у печах.

Металургійна трансформація: перетворення 22MnB5 на мартенсит

Основна цінність гарячого штампування полягає в фазовому мікроструктурному перетворенні 22MnB5 сталі. У стані поставки ця боровмісна сталь має ферито-перлітну мікроструктуру з межею текучості приблизно 350–550 МПа та межею міцності близько 600 МПа. Технологічний процес спрямований на регулювання трьох ключових параметрів для зміни цієї структури.

1. Аустенітизація

Сталь необхідно нагріти вище верхньої критичної температури (Ac3), зазвичай приблизно до 850°C , хоча технологічні значення часто коливаються в межах 900°C до 950°C для забезпечення повного перетворення. Протягом часу витримки (зазвичай 4–10 хвилин залежно від товщини та типу печі) вуглець утворює твердий розчин, створюючи аустеніт. Ця гранецентрована кубічна (ГЦК) структура є пластичною, що дозволяє виконувати складне формування з меншою потужністю порівняно з холодним штампуванням.

2. Роль бору та швидкості охолодження

Бор додається до сплаву (0,002–0,005%) спеціально для уповільнення утворення фериту та перліту під час охолодження. Цей легувальний елемент підвищує прокалюваність, дозволяючи загартовувати сталь із помірною швидкістю — зазвичай >27°C/с (критична швидкість охолодження) — щоб уникнути носа кривої бейніту та безпосередньо перетворитися на мартенсит . Якщо швидкість охолодження падає нижче цього порогу, утворюються м’якші фази, такі як бейніт, що погіршує кінцеву міцність.

3. Рішення з покриттям Al-Si

При температурах вище 700°C незахищена сталь швидко окислюється, утворюючи твердий шар окалини, який пошкоджує матриці й потребує дробоструменевого очищення після обробки. Щоб запобігти цьому, у промисловості використовують матеріали стандартного типу Usibor 1500P які мають наперед нанесене алюмінієво-кремнієве (Al-Si) покриття. Під час нагрівання це покриття утворює сплав із основним матеріалом, створюючи дифузійний шар Fe-Al-Si, що запобігає утворенню окалини та декарбідації. Ця інновація усуває необхідність використання захисних атмосфер у печах і наступних етапів очищення, спрощуючи виробничу лінію.

Виробнича лінія: критичне обладнання та параметри

Впровадження лінії гарячого штампування вимагає спеціалізованого устаткування, здатного витримувати екстремальні термічні градієнти та високі навантаження. Капіталовкладення є значними, часто виникає необхідність у стратегічних партнерствах для прототипування та додаткового виробництва.

• Технологія печей: Роликові пічні печі є стандартом для високопродуктивного прямого гарячого штампування. Вони повинні забезпечувати рівномірність температури в межах ±5 °C, щоб гарантувати стабільні механічні властивості. Для непрямих процесів або при менших обсягах можуть використовуватися камерні печі. Загальний час витримки залежить від товщини заготовки й, як правило, розраховується як t = (товщина × коефіцієнт) + базовий час , що часто дає 4–6 хвилин для типових товщин.
• Гідравлічні та сервопреси: На відміну від холодного штампування, прес має затримуватися в нижній точці ходу, щоб утримувати деталь прижатою до охолоджуваних поверхонь матриці. Гідравліка або серво-гідравлічні преси є переважними завдяки здатності прикладати й утримувати максимальне зусилля (часто 800–1200 тонн) протягом необхідного часу гартування (5–10 секунд). Загальний циклічний час, як правило, становить від 10 до 30 секунд.
• Інструменти та канали охолодження: Матриця є теплообмінником. Вона повинна мати складні внутрішні канали охолодження (часто виготовлені шляхом свердління або 3D-друку), щоб циркулювати воду з високою швидкістю потоку. Мета полягає в тому, щоб швидко виводити тепло, підтримуючи температуру поверхні інструменту нижче 200 °C для забезпечення ефективного загартування.
• Лазерне обрізання: Оскільки готова деталь має межу міцності близько 1500 МПа, традиційні механічні обрізні матриці практично одразу зношуються. Тому лазерна прикраска (як правило, 5-вісні волоконні лазери) є стандартним методом для вирізання отворів і остаточних контурів після формування.

Для виробників, які переходять від прототипів до масового виробництва, складність ланцюга обладнання може стати перешкодою. Використання Комплексні штампувальні рішення Shaoyi Metal Technology може подолати цей розрив. Їхні можливості, які включають прецизійну пресову обробку до 600 тонн і дотримання стандартів IATF 16949, забезпечують необхідну інженерну інфраструктуру для перевірки параметрів процесу та масштабування виробництва без термінових великих капіталовкладень.

Просунуті застосування: Індивідуальні властивості та м'які зони

Сучасний дизайн безпеки транспортних засобів часто вимагає, щоб один компонент мав подвійні властивості: високий опір проникненню (міцний) і високе поглинання енергії (м'який). Гаряче штампування дозволяє це завдяки Індивідуальні властивості .

Технологія м'яких зон

Контролюючи швидкість охолодження в певних ділянках матриці, інженери можуть запобігти мартенситному перетворенню в локальних зонах. Наприклад, стійка B-стойки може потребувати повністю мартенситної верхньої частини (1500 МПа), щоб захистити голову пасажира, але м'якої, пластичної нижньої частини (500–700 МПа) для поглинання енергії під час бічного удару. Цього досягають шляхом ізоляції певних ділянок інструменту або використання нагрівальних елементів для підтримання температури матриці вище температури початку утворення мартенситу (Ms), що дозволяє замість цього формуватися бейніту або фериту.

Заготовки з індивідуальним зварюванням (TWBs)

Інший підхід передбачає лазерне зварювання двох різних марок сталі або товщин до процесу гарячого штампування. Заготовка може поєднувати бористу сталь із пластичною сталью HSLA. Під час гарячого штампування сторона з бористої сталі загартовується, тоді як сторона HSLA зберігає пластичність, утворюючи деталь із різними зонами експлуатаційних характеристик без складних систем нагріву матриць.

Стратегічний аналіз: переваги, недоліки та витрати

Рішення щодо впровадження гарячого штампування пов'язане зі складним компромісом між продуктивністю та вартістю. Наведений нижче аналіз висвітлює ключові чинники прийняття рішень для інженерів-автомобілебудівників.