Властивості сталі гарячого штампування: технічний посібник щодо міцності та формовності

Коротко

Сталь гарячого штампування (PHS), відома також як сталь гарячого формування або борсилікатна сталь, — це ультрависокоміцний сплав (зазвичай 22MnB5), призначений для елементів безпеки автомобілів. Сталь постачається у пластичному ферито-перлітному стані (межа плинності ~300–600 МПа), але перетворюється на надтверду мартенситну структуру (межа міцності при розтягуванні 1300–2000 МПа) після нагрівання до ~900°C та охолодження в охолоджуваній матриці. Цей процес усуває пружне відновлення форми, дозволяє отримувати складні геометрії та забезпечує значне зменшення ваги критичних конструкцій для поглинання удару, таких як стійки А та бампери.

Що таке сталь гарячого штампування (PHS)?

Сталь гарячого штампування (PHS), яку часто називають у автомобільній галузі гарячештампованою або гарячоформованою стальню, представляє категорію борованих сталей, які проходять спеціальний термомеханічний процес формування. На відміну від звичайних холодноштампованих сталей, які формують при кімнатній температурі, PHS нагрівають до аустенітного стану, а потім одночасно формують і загартовують у охолодженому інструменті.

Стандартна марка для цього процесу — 22MnB5 , вуглецево-марганцево-борова сплав. Додавання бору (зазвичай 0,002–0,005%) є критичним, оскільки значно підвищує прокалюваність сталі, забезпечуючи повністю мартенситну структуру навіть при помірних швидкостях охолодження. Без бору матеріал може перетворитися на м'якші фази, такі як бейніт або перліт під час гартування, і не досягне потрібної міцності.

Основне перетворення, яке надає PHS його цінності, є мікроструктурним. Постачається у вигляді м'якого феритно-перлітного листа, матеріал легко різати та обробляти. Під час процесу гарячого штампування матеріал нагрівають вище температури аустенітизації (зазвичай близько 900–950°C). Коли гарячу заготовку затискають у матриці, її швидко охолоджують (швидкістю понад 27°C/с). Це швидке охолодження запобігає утворенню м'яких мікроструктур і перетворює аустеніт безпосередньо на мартенсит , найтвердішу форму структури сталі.

Механічні властивості: у поставленому стані проти загартованого

Для інженерів та фахівців з закупівель найважливішим аспектом властивостей сталі для пресового загартування є значна різниця між її початковим і кінцевим станами. Ця подвійність дозволяє складну формовку (у м'якому стані) та надзвичайну продуктивність (у твердому стані).

У таблиці нижче наведено порівняння типових механічних властивостей стандартного сорту 22MnB5 до та після процесу пресового загартування:

Аналіз межі текучості: Межа текучості зазвичай зростає втричі під час процесу. Хоча матеріал у постачанні поводиться подібно до звичайної конструкційної сталі, готовий компонент стає жорстким і стійким до деформації, що робить його ідеальним для використання в протиаварійних силових каркасах.

Твердість та оброблюваність різанням: Кінцева твердість 470–510 HV ускладнює механічне обрізання або пробивання отворів і призводить до швидкого зносу інструменту. Тому більшість операцій обрізання на готових деталях PHS виконуються за допомогою лазерного різання (див. Технічні дані SSAB ) або спеціалізованими матрицями для обрізання твердих матеріалів безпосередньо перед тим, як деталь повністю охолоне.

Поширені марки PHS та хімічний склад

Хоча 22MnB5 залишається основною промисловою маркою, попит на ще легші та міцніші компоненти спричинив розробку кількох її варіантів. Інженери зазвичай вибирають марки залежно від балансу між максимальною міцністю та необхідною пластичністю для поглинання енергії.

• PHS1500 (22MnB5): Стандартний клас з межею міцності близько 1500 МПа. Містить приблизно 0,22% вуглецю, 1,2% марганцю та сліди бору. Поєднує міцність із достатньою міцністю для більшості застосувань у сфері безпеки.
• PHS1800 / PHS2000: Новіші марки надвисокої міцності, які забезпечують межу міцності до 1800 або 2000 МПа. Вони досягають вищої міцності за рахунок трохи підвищеного вмісту вуглецю або зміненого легування (наприклад, кремній/ніобій), але можуть мати знижену міцність. Використовуються для деталей, де опір проникненню є єдиною перевагою, наприклад, бамперні балки чи рейки даху.
• Пластичні марки (PHS1000 / PHS1200): Також відомі як пресовані закалені сталі (PQS), ці марки (наприклад, PQS450 або PQS550) розроблені так, щоб зберігати вищу подовжуваність (10–15%) після загартування. Часто використовуються в «м'яких зонах» стійки B для поглинання енергії удару, а не для її передачі.

Хімічний склад суворо контролюється, щоб запобігти проблемам, таким як водневе крихкість, особливо у вищих класах міцності. Вміст вуглецю, як правило, підтримується нижче 0,30%, щоб зберегти задовільну зварюваність.

Покриття та стійкість до корозії

Непокрите сталь швидко окислюється при нагріванні до 900 °C, утворюючи твердий шар, який пошкоджує штампи та потребує абразивного очищення (дробоструменевої обробки) після формування. Щоб уникнути цього, більшість сучасних застосувань гарячого штампування використовують попередньо покриті листи.

Алюміній-кремній (AlSi): Це основне покриття для прямого гарячого штампування. Воно запобігає утворенню окалини під час нагрівання і забезпечує бар'єрний захист від корозії. Шар AlSi утворює сплав із залізом сталі під час нагрівання, створюючи міцну поверхню, яка витримує ковзне тертя матриці. На відміну від цинку, не надає гальванічного (самовідновлювального) захисту.

Цинкові (Zn) покриття: Цинкові покриття (оцинковані або гальванізовані) забезпечують високий рівень катодного захисту від корозії, що особливо цінно для деталей, які піддаються впливу вологого середовища (наприклад, пороги). Однак стандартна гаряча штампування може призвести до Крихкості від рідкого металу (LME) , коли рідкий цинк проникає в межі зерен сталі, спричиняючи мікротріщини. Для безпечного використання фасонованої загартованої сталі з цинковим покриттям часто потрібні спеціальні «непрямі» процеси або техніки «попереднього охолодження».

Ключові інженерні переваги

Впровадження властивостей сталі для пресового загартування було спричинене конкретними інженерними викликами у проектуванні транспортних засобів. Цей матеріал пропонує рішення, які не можуть забезпечити холодноштамповані низьколеговані сталі підвищеної міцності (HSLA) чи двофазні (DP) сталі.

• Екстремальне зменшення ваги: Використовуючи міцність 1500 МПа і вище, інженери можуть зменшувати товщину деталей (зниження калібру), не погіршуючи безпеку. Деталь, яка раніше мала товщину 2,0 мм у звичайній сталі, може бути зменшена до 1,2 мм у PHS, що дозволяє значно зекономити вагу.
• Нульове пружне відновлення: При холодному штампуванні сталі підвищеної міцності мають тенденцію «пружинити» назад до своєї первісної форми після відкриття прес-форми, що ускладнює досягнення точних розмірів. ПВС формуються гарячими та м’якими (аустеніт) і загартовуються у стані обмеження в прес-формі. Це фіксує геометрію, забезпечуючи практично нульовий ефект пружиніння та виняткову розмірну точність.
• Складні геометрії: Оскільки формування відбувається, коли сталь пластична (~900 °C), складні форми з глибоким витягуванням і невеликими радіусами можна отримати за один хід — геометрії, які тріснули б або розірвалися при спробі виготовлення з холодної ультрависокоміцної сталі.

Типові автомобільні застосування

ПВС є матеріалом вибору для «каркасу безпеки» сучасних транспортних засобів — жорсткої конструкції, призначеної для захисту пасажирів під час зіткнення шляхом запобігання проникненню в салон.

Ключовими компонентами

Типові сфери застосування включають Стойки А, стойки В, рейки даху, підсилювачі тунелю, пороги та балки проти проникнення у двері . Останнім часом виробники почали інтегрувати PHS у корпуси акумуляторів електромобілів для захисту модулів від бічних ударів.

Індивідуальні властивості

Сучасне виробництво дозволяє «індивідуальне загартування», при якому певні зони однієї деталі (наприклад, нижня частина стійки B) охолоджуються повільніше, щоб залишитися м’якими та пластичними, тоді як верхня частина стає повністю твердою. Це поєднання оптимізує деталь як для протидії проникненню, так і для поглинання енергії.

Для виробників, які прагнуть впровадити ці сучасні матеріали, співпраця зі спеціалізованими виробниками є обов’язковою. Компанії, такі як Shaoyi Metal Technology пропонують комплексні рішення для штампування автозапчастин, здатні виконувати вимоги щодо високого навантаження (до 600 тонн) та забезпечувати точну оснастку для складних автомобільних компонентів — від швидкого прототипування до масового виробництва за стандартами IATF 16949.

Висновок

Властивості сталі гарячого штампування являють собою важливий синергетичний ефект між металургією та виробничим процесом. Використовуючи фазове перетворення фериту в мартенсит, інженери отримують матеріал, достатньо формований для складних конструкцій і водночас міцний для захисту життя. Оскільки класи сталі розвиваються до 2000 МПа і вище, PHS залишатиметься основою стратегій безпеки та зменшення маси автомобілів.

Поширені запитання

1. У чому різниця між гарячим штампуванням і пресовим загартуванням?

Різниці немає; ці терміни використовуються як взаємозамінні. «Пресове загартування» стосується процесу металургійного загартування, що відбувається в пресі, тоді як «гаряче штампування» — це метод формування. Обидва терміни описують одну й ту саму технологічну послідовність виготовлення високоміцних деталей із мартенситної сталі.

2. Навіщо додають бор до сталі пресового загартування?

Бор додається в невеликих кількостях (0,002–0,005%) для значного підвищення прокалюваності сталі. Він затримує утворення м'яких структур, таких як ферит і перліт, під час охолодження, забезпечуючи повну трансформацію сталі в мартенсит навіть при швидкостях охолодження, характерних для промислових штампувальних матриць.

3. Чи можна зварювати пресовану загартовану сталь?

Так, PHS можна зварювати, але потрібні спеціальні параметри. Оскільки матеріал зазвичай має вміст вуглецю близько 0,22%, він сумісний з контактним точковим зварюванням (КТЗ) та лазерним зварюванням. Однак зварювання трохи зм'якшує зону термічного впливу (ЗТВ), що необхідно враховувати при проектуванні. Для сталей з покриттям AlSi покриття слід видалити (за допомогою лазерної абляції) або обережно керувати ним під час зварювання, щоб запобігти забрудненню зварювальної ванни.