Коротко

Двофазні (DP) сталі — це передові високоміцні сталі (AHSS), які характеризуються мікроструктурою з твердих островів мартенситу, розподілених у м’якій феритній матриці. Ця унікальна комбінація забезпечує низьке співвідношення межі текучості до тимчасової міцності (~0,6) та високий початковий коефіцієнт зміцнення при деформації (показник n), що робить їх ідеальними для складних автомобільних штампувань, які вимагають як формовності, так і міцності при зіткненні. Однак успішне штампування вимагає контролю значного ризику пружного повернення та утворення тріщин на краях. Інженери зазвичай мають збільшувати зазори пуансона до 12–14% і використовувати більш жорсткі інструменти з підвищеними покриттями, такими як TiC або CrN, щоб впоратися з підвищеними навантаженнями та зносом.

Мікроструктура та механічні властивості

Інженерна цінність двофазної сталі полягає у її відмінній двофазній мікроструктурі. На відміну від високоміцних низьколегованих (HSLA) сталей, які ґрунтуються на загартуванні, DP-сталі отримують свої властивості завдяки композитній струкурі: безперервній м'якій феритній матриці, що забезпечує пластичність, та розсіяним твердим мартенситним островам, що забезпечують міцність. Під час деформації, деформація зосереджується у більш м'якій феритній фазі, що оточує мартенсит, що призводить до високого початкового показника утворення міцності (n-значення).

Ця мікроструктура формує профіль механічної поведінки, спеціально оптимізований для холодного формування. Тим часом як марки HSLA зазвичай мають співвідношення межі плинності до межі міцності (YS/TS) близько 0,8, DP-сталі підтримують значно нижче співвідношення, приблизно 0,6. Ця нижча границя плинності дозволяє почати пластичну деформацію раніше, полегшуючи формування складних форм перш ніж матеріал досягне своєї граничної межі міцності. Зазначає виробник те, що це високе значення коефіцієнта n особливо виражене при нижчих межах деформації (4–6%), що сприяє рівномірному розподілу деформації по всій деталі та запобігає локальному звуженню на ранніх етапах ходу преса.

Поширені комерційні марки — такі як DP590, DP780 та DP980 — визначаються своїми мінімальними границями міцності (у МПа). Із збільшенням об'ємної частки мартенситу міцність на розтяг підвищується, але пластичність природним чином знижується. Інженери мають ураховувати ці фактори, часто вибираючи менші частки мартенситу для глибоковитягнутих деталей та більші частки — для структурних лонжеронів, де найважливішою є стійкість до проникнення.

Виклики штампування: пружне відновлення та тріщини на краях

Саме та характеристика, яка робить DP-сталь бажаною — її висока швидкість зміцнення при деформації, — спричиняє основний дефект у виробництві: пружне відновлення. Оскільки матеріал швидко зміцнюється під час деформації, напруження пружного відновлення, накопичене в деталі, значно вище, ніж у м’яких сталей. Це проявляється у вигині бічних стінок і зміні кутів після виймання деталі з матриці, ускладнюючи досягнення точних розмірів для складання.

Для зменшення пружного відновлення технологи застосовують кілька стратегій конструювання матриць. Надмірне підвищення поверхонь матриці дозволяє матеріалу розслабитися й набути потрібної геометрії. Крім того, проектування стінкових виточок або ребер жорсткості може зафіксувати геометрію. Більш просунутою технікою є створення високих деформацій наприкінці ходу преса для зменшення залишкових стискальних напружень, ефективно «фіксуючи» форму.

Утворення тріщин на краях є ще одним критичним видом пошкодження, особливо під час операцій витяжки фланця. Різниця твердості між м'яким феритом та твердим мартенситом створює концентрацію напружень на зрізаних краях, що призводить до утворення мікропор, які можуть зливатися в тріщини. SSAB пропонує використовувати спеціалізовані марки «Dual Phase High Formability» (DH) для геометрій, що вимагають глибокої витяжки або розтягнутих країв. Ці марки АВСС третього покоління використовують мікроструктури, що працюють за механізмом TRIP (з ретельованим аустенітом), щоб зберегти формувальність на вищих рівнях деформації, забезпечуючи кращий опір утворенню тріщин на краях порівняно зі звичайними марками DP.

Керівні принципи проектування інструнів та штампів

Штампування сталі типу Dual Phase вимагає принципової переробки стандартних параметрів інструнів, що використовуються для низьковуглецевої або високоміцної низьколегованої сталі (HSLA). Найважливішою корекцією є зазор у штемпі. Стандартні зазори близько 9% товщини металу часто призводять до сильного розшарування краю в сталях DP через високу міцність матеріалу на зсув.

Дані з Tata Steel показує, що збільшення зазору пробивання до 12–14%суттєво покращує якість краю. У одному дослідженні випадку збільшення зазору з 9% до 12% зменшило частоту розтріскування деталей з 22% майже до нуля. Цей більший зазор змінює стан напруження на різальному краї, зменшуючи схильність до поширення мікротріщин у фланеці.

Знос інструменту також прискорюється. Високий контактний тиск, необхідний для формування DP-сталі — часто понад 600 тонн для конструкційних елементів — може призводити до заїдання та швидкого зношення матриць. Інструментальні сталі мають бути покриті твердими поверхневими покриттями з низьким коефіцієнтом тертя, такими як карбід титану (TiC) або нітрид хрому (CrN), щоб продовжити терміни експлуатації. Крім того, сам прес має бути достатньо жорстким, щоб запобігти прогину під цими великими навантаженнями, що інакше порушить допуски на деталі.

Для виробників, які стикаються з цими підвищеними вимогами до обладнання, співпраця зі спеціалізованим постачальником виготовлення часто є найефективнішим шляхом. Shaoyi Metal Technology пропонує комплексні рішення для штампування які забезпечують перехід від прототипування до масового виробництва. З можливостями пресів до 600 тонн і сертифікацією IATF 16949, вони готові виконувати високі вимоги щодо навантаження та точності для передових сталей підвищеної міцності, таких як марки DP та DH, для критичних компонентів, наприклад, важелів підвіски та підрамників.

Закалювання при випіканні та остаточні характеристики

Однією з прихованих переваг сталі подвійної структури є ефект «закалювання при випіканні» (BH). Це явище виникає під час процесу полімеризації фарби в автомобільній промисловості, зазвичай при температурі близько 170 °C протягом 20 хвилин. Під час цього термічного процесу вільні атоми вуглецю в мікроструктурі сталі дифундують і закріплюють дислокації, утворені під час штампування.

Цей механізм призводить до значного підвищення границі міцності — зазвичай на 50–100 МПа — без впливу на розміри деталі. Це збільшення статичної міцності дозволяє інженерам автомобільної галузі «зменшувати товщину» (використовувати тонший матеріал) для зниження ваги транспортного засобу, забезпечуючи при цьому відповідність кінцевої деталі вимогам безпеки при зіткненні. Поєднання зміцнення в результаті деформації в пресовому цеху та загартування в фарбувальному цеху надає кінцевому компоненту виняткову здатність поглинання енергії, що робить сталі подвійної структури (DP) стандартним вибором для елементів каркаса безпеки, таких як стійки B, рейки даху та поперечні балки.

Висновок: Оптимізація виробництва високоміцних сталей

Сталь подвійної фази є критичним компромісом у сучасному автомобілебудуванні, забезпечуючи міцність, необхідну для відповідності вимогам безпеки, та пластичність, потрібну для технологічної здійсненності виробництва. Хоча матеріал має певні труднощі — зокрема, стосовно контролю пружного повернення та зносу інструменту — їх можна ефективно подолати за допомогою проектування штампів із використанням даних та правильного вибору пресів. Дотримуючись унікальних фізичних характеристик ферито-мартенситної структури та коригуючи параметри, такі як зазор пуансона в рекомендованому діапазоні 12–14%, виробники можуть повною мірою використовувати потенціал цього універсального матеріалу для зменшення ваги та підвищення продуктивності.

Поширені запитання

1. Чим сталь подвійної фази відрізняється від сталі HSLA?

Тоді як сталі високої міцності з низьким легуванням (HSLA) ґрунтуються на мікролегуванні елементів для випадкового твердіння, двофазні (DP) сталі ґрунтуються на двофазній мікроструктурі фериту та мартенситу. Це надає сталям DP нижче співвідношення межі плинності до розриву (~0,6 проти 0,8 для HSLA) і вищий початковий темп зміцнення при деформації, що дозволяє кращу формівність при еквівалентних межах міцності при розтягуванні.

2. Який рекомендований зазор матриці для штампування сталі DP?

Стандартні зазори матриці, що використовуються для м'якої сталі (близько 9%), зазвичай занадто малі для сталі DP і можуть призводити до розтріскування краю. Найкращі галузеві практики пропонують збільшити зазор матриці до 12–14%товщини матеріалу, щоб покращити якість краю та термін служби інструменту.

3. Що спричиняє пружне відновлення у двофазній сталі?

Пружне відновлення викликається високою пружністю матеріалу після формування. Високий ступінь зміцнення при деформації сталі DP означає, що під час деформації накопичується значна пружна енергія. Коли матриця відкривається, ця енергія вивільняється, викликаючи пружне відновлення або скручування деталі. Це необхідно компенсувати шляхом надмірного вигину або повторного клепання при проектуванні матриці.

4. Чи можна зварювати двофазну сталь?

Так, двофазні сталі, як правило, мають добру зварюваність, але слід враховувати конкретний вміст вуглецевого еквіваленту. Хоча сталі нижчої міцності (DP590) легко зварюються точковим зварюванням, сталі вищої міцності (DP980 і вище) можуть вимагати коригування параметрів зварювання, наприклад, збільшення зусилля електродів або використання спеціальних імпульсних режимів, щоб запобігти крихкому руйнуванню в зоні термічного впливу зварного шву.