1 500 ja 1 700 MPa:n kylmäprässättävät teräkset autoteollisuuteen

Sähköautot ja 5 tähden suorituskyky törmäyksissä edistävät lujempien terästen käyttöä

On selvää, että autonvalmistajat aikovat lisätä lujempien AHSS/UHSS-terästen käyttöä entisestään saavuttaakseen autoteollisuuden tavoitteet lujista, kevyistä korirakenteista, jotka mahdollistavat 5 tähden suorituskyvyn törmäyksissä. Erityisesti sähköautot vaativat entistä lujempia materiaaleja, joita käytetään uusin tavoin, erityisesti raskaiden akkujen kannatteluun ja suojaamiseen.

Jo vuosien ajan 1,5 GPa:n teräksestä on rullamuovattu suhteellisen yksinkertaisia profiileita ajoneuvojen runkorakenteisiin. Nyt prässäystekniikan edistysaskeleet antavat runkosuunnittelijoille ja tuotantoinsinööreille mahdollisuuden kylmäprässätä 1,5 GPa:n teräksistä kohtalaisen monimutkaisia profiileita sen sijaan, että luotettaisiin pelkkään kuumaprässäykseen.

Kylmämuovauksen edut gigapascal-teräksille

Kylmämuovauksen etuja:

1. Jopa 28 % edullisempi: Kylmämuovaus tulee huomattavasti halvemmaksi kuin kuumamuovaus, sillä kuumaprässäysprosessi aiheuttaa huomattavasti suuremmat käyttökustannukset.
2. Paljon pienempi energiankulutus kuin kuumaprässäyksellä, mikä pienentää energiakustannuksia ja hiilijalanjälkeä.
3. Martensiittisilla teräksillä on paljon laajemmat mekaaniset ominaisuudet kuin muottikarkaistavilla teräksillä (PHS).
4. Kylmämuovattujen martensiittisten osien pinnan lopullinen laatu on parempi kuin kuumaprässättyjen osien.
5. Kylmäprässätyille osille ei tarvita lisäpuhdistusta (sinkopuhdistusta).
6. Kylmäprässätyt osat voidaan lävistää ja leikata mekaanisesti, kun taas muottikarkaistut osat vaativat kalliimpaa käsittelyä laserilla vetyhaurauden välttämiseksi.
7. Martensiittisiin teräksiin saa katodisen korroosiosuojauksen.
8. Alemman hiiliekvivalentin (Ceq tai C.E.). vuoksi martensiittisten teräslaatujen hitsausominaisuudet ovat paremmat kuin muottikarkaistavien terästen.

Kylmämuovausta koskevia näkökohtia

1. Erittäin monimutkaisia muotoja ei voi kylmämuovata.
2. Takaisinjousto ja sitä korjaavat toimenpiteet on otettava huomioon. Japanilaiset ja muut valmistajat ovat kuitenkin osoittaneet, että se on mahdollista: ks. seuraava kappale ja jäljempänä Takaisinjouston hallinta.

Lähde: SSAB.

Japani jo varhain johdossa 1,5 GPa:n teräksen kylmäprässäyksessä

”Muuhun maailmaan verrattuna japanilaiset muottivalmistajat ovat kehittäneet muottejaan ja työkalujaan pidemmälle voidakseen ottaa vastaan 1500 MPa:n teräksille vaadittavat suuremmat voimat ja samalla hallita takaisinjoustoa”, toteaa japanilainen Hiroshi Kondo, joka on toiminut autoteollisuuden teräskonsulttina yli 30 vuoden ajan. ”Kaikki japanilaiset autonvalmistajat tutkivat nyt 1 500 megapascalin teräksen kylmäprässäystä.”

”Perinteisesti japanilaiset autonvalmistajat ja osatoimittajat ovat aina suhtautuneet myönteisemmin kylmäprässäykseen kuin rullamuovaukseen tai kuumaprässäykseen”, Kondo jatkaa. ”Yksi kylmäprässäyksen eduista rullamuovaukseen verrattuna on se, että prässäys antaa enemmän vapautta osan geometrian suhteen.”

”Lisäksi kylmäprässäyksen edut ovat samat kuin kuumaprässäyksen. Japanilaiset autonvalmistajat arvostavat erityisesti vähäistä energiankulutusta ja nopeita tuotantoaikoja – ja nykyään tietysti myös pienempää hiilijalanjälkeä. Näissä kaikissa kylmäprässäys päihittää kuumaprässäyksen.”

Mitkä auton osat voidaan kylmäprässätä 1,5 GPa:n teräksestä?

1500M-sovelluskohteissa mahdollisia kylmäprässäyskohteita ovat sivutörmäyspalkit, puskuripalkit sekä poikittaispalkit ja niiden vahvikkeet.

”Useimmat helmapellit, helmapeltien vahvikkeet, lattian poikittaispalkit ja osa kattopalkeista voidaan rullamuovata”, SSAB Automotive Business Development Specialist Kenneth Olsson sanoo. ”On kuitenkin paljon osia, joita ei niiden muodon vuoksi voi rullamuovata.”

”Vaikka kuumaprässäystä voidaan aina käyttää”, Olsson jatkaa, ”se on kalliimpaa ja hitaampaa. Kun uuneja lämmitetään fossiilisilla polttoaineilla – kuten useimmat valmistajat tekevät – syntyy hiilidioksidipäästöjä, mikä sotii autonvalmistajien kestävän kehityksen tavoitteita vastaan. Kylmäprässäys 1500 MPa:n lujuustasolla on siis jännittävää, suhteellisen uutta kehitystä.”

Kenneth Olsson.

Vakuuttavia kylmäprässäystestejä 1,5 ja 1,7 GPa:n teräksille

KIRCHHOFF Automotive on kylmäprässännyt onnistuneesti sivutörmäyspalkin prototyypin käyttämällä Docol^® 1500M- ja 1700M-teräksiä. Yläkuvissa näkyvät muovatut osat ja alakuvissa osat 3-pistetaivutustestin jälkeen.

Tietyissä autonosissa lujuuden nostaminen on helppoa

Docol^® CR1150Y1400-MS-EG -teräksestä kylmäprässätyn sivutörmäyspalkin valmistamista testattiin onnistuneesti CR950Y1200T-MS-EG-teräkselle suunnitellussa sarjatuotannossa. SSAB:n muovausasiantuntijat uskovat, että osa voitaisiin kylmäprässätä CR1220Y1500T-MS-EG-teräksestä.

Kylmämuovaus ehkäisee vetyhaurautta

Kuumaprässäyksen jälkeen valmistajien on noudatettava suurta varovaisuutta leikkaus- ja lävistystoimenpiteissä tai ne voivat aiheuttaa viivästyneitä murtumia. Siksi kuumaprässättyjen osien lävistämiseen tai leikkaamiseen tarvitaan tyypillisesti lasereita – ja ne ovat monimutkaisempia ja kalliimpia kuin perinteiset mekaaniset työkalut.

Kylmämuovauksessa valmistajat voivat käyttää perinteisiä mekaanisia lävistys- ja leikkaustyökaluja ilman viivästyneen murtuman riskiä jopa 1,5 GPa:n teräksillä. Mekaaniset leikkaus- ja lävistysmenetelmät ovat tuttuja, nopeita ja kustannustehokkaita.

Ultralujien terästen takaisinjouston hallinta kylmäprässäyksessä

Kuumaprässäyksen kaksi tärkeintä etua ovat mahdollisuus luoda monimutkaisia muotoja ja takaisinjouston välttäminen. Japanilaiset ja muut valmistajat ovat kuitenkin kehittäneet useita strategioita kylmäprässättyjen osien takaisinjouston hallintaan:

1. Simulaatiot: muovaussimulaatioiden avulla suunnittelijat voivat optimoida osan geometrian takaisinjouston hallitsemiseksi ja kylmäprässättyjen osien lopullisen tarkkuuden parantamiseksi.
2. Optimointi: sisältää suorien taivutuslinjojen käytön ja suunnitellun kulman (pyöristyssäteen) konfiguroinnin.
3. Vetokynnykset: vetokynnysten muoto ja sijoittelu takaisinjouston hallinnan parantamiseksi.
4. Muotin geometria: siirtyminen myötölujuudeltaan korkeampaan laatuun, kuten CR1220Y1500T-MS-teräkseen, voi vaatia muutoksia muotin geometriaan suuremman takaisinjouston kompensoimiseksi.
5. Työkalut: entistä parempien työkalumateriaalien, kuten kulutusosien ja pinnoitteiden, avulla käsitellään muotteihin kohdistuvia suurempia voimia.

Muiden asiantuntijoiden mielipiteitä UHSS:n kylmäprässäyksestä

World Auto Steel toteaa verkkosivuillaan, että martensiittiset teräkset ovat kylmämuovattava vaihtoehto kuumamuovatuille muottikarkaistaville teräksille.

Kylmäprässäys tarjoaa mahdollisuuden valita erilaisia strategioita muottien käytössä. Sen ansiosta voidaan vähentää takaisinjoustoa tai lisätä osiin ominaisuuksia, joita rullamuovauksella ei saavuteta. Martensiittisten terästen kylmäprässäys ei rajoitu yksinkertaisiin, loiviin muotoihin.

World Auto Steel esittää kuvan kylmäprässätystä keskipilarista, joka on tehty räätälöidystä aihiosta (tailor-welded blank), missä yläosa on CR1200Y1470T-MS-materiaalista ja alaosa CR320Y590T-DP-materiaalista. Yhdistys siteerasi

tutkimusta, jossa havaittiin, että teräksen myötölujuus ja hattumaisten osien kolmipisteisen taivutuksen muodonmuutos korreloivat keskenään. Myötölujuuden vertailun perusteella CR12001470T-MS:n suorituskyky on sama kuin kuumaprässätyillä PHS-CR1800T-MB- ja PHS-CR1900T-MB-teräksillä paksuuden pysyessä samana. Lisäksi se voittaa usein käytetyt PHS-CR1500T-MB-teräkset. Tästä syystä kylmäprässäysmenetelmä voi pienentää kustannuksia ja painoa, kunhan käytössä ovat asianmukainen prässi, valmistusprosessi ja muotti.

Artikkelissa esitellään kylmäprässätty poikittaispalkki, jota valmistetaan kaupallisessa tuotannossa martensiittisesta 1500 MPa:n teräksestä:

Osan vaihteleva korkeus ja ulkoreunojen epäyhtenäinen poikkileikkaus auttavat hallitsemaan takaisinjoustoa, mutta rullamuovaus olisi huomattavasti haastavampaa, jos se olisi valittu kylmämuovausmenetelmä [kylmäprässäyksen sijaan].

Artikkelin lopussa annetaan esimerkki kylmämuovatusta 1500T-MS-kattovahvikkeesta, jossa käytetään patentoitua Stress Reverse Forming™ -prosessia. Siinä mittatarkkuutta parannetaan vähentämällä takaisinjoustoherkkyyttä.

1,5 GPa:n teräksen kylmäprässäyksen ja kuumaprässäyksen vertailua

Tarkkuus: Muottikarkaistut osat voivat olla erittäin tarkkoja, eikä niissä esiinny takaisinjoustoa. Kylmäprässättyjen osien tarkkuuden kannalta ratkaisevaa on takaisinjouston kattava hallinta.
Osan muoto: Kuumaprässäys on ihanteellinen tekniikka muodoltaan monimutkaisille osille – vaikka kylmäprässäyksessä otetaankin edistysaskelia osien muodon suhteen.
Jaksoaika: Kylmäprässäys on paljon nopeampaa kuin muottikarkaisu.
Energiankulutus: Kuumaprässäys edellyttää nopeaa kuumennusta (900 °C:een) ja nopeaa jäähdytystä. Kylmäprässäys ei, mikä säästää rahaa ja päästöjä.
Leikkaus/lävistys: 1,5 GPa:n PHS-osat edellyttävät laserleikkausta ja -lävistystä vetyhaurauden välttämiseksi. Toisaalta kylmäprässätyt 1500 MPa:n osat voidaan leikata mekaanisesti ja lävistää linjassa.

Kuvat Kirchhoff Automotiven luvalla.

1400M:n sivutörmäyspalkki, joka on onnistuneesti kylmäprässätty 1 200M:lle suunnitellussa muotissa.

Rullamuovaus: entistä vahvemmaksi

Vaikka osien kylmäprässääminen 1,5 GPa:n teräksestä on suhteellisen uutta, UHSS-terästen (kylmä) rullamuovaus on ollut käytössä jo vuosien ajan (muualla kuin Japanissa). Suunnittelijat ja osatoimittajat ovat vieneet rullamuovausta eteenpäin omissa sovelluksissaan ja laajentaneet käsitystä siitä, millaisia muotoja pystytään luomaan.

Esimerkiksi Shape Corp. kehitti rullamuovattavan Docol^® CR1350Y1700-MS-UC -teräksen ja 3D-taivutti siitä kattokiskon Ford-mallien sarjatuotantoa varten. Tuloksena on kevyt, kustannus- ja energiatehokas osa, jonka ohuemmat seinämät parantavat näkyvyyttä auton matkustajille.

3D-rullamuovaus: ratkaisu valmiina?

Kolmiulotteista rullamuovausta on ehdotettu vaihtoehtoiseksi tavaksi saada aikaan hieman monimutkaisempia geometrioita UHSS-teräksestä.

SSAB:n törmäysenergian asiantuntijat ehdottivat 1700M-teräksen 3D-rullamuovausta Docol^® -sähköautokonseptin akkusuojaukseen. Mallissa käytetään verkkomaisia 3D-rullamuovattuja (”poimutettuja”) palkkeja. Näin saadaan aikaan poikkeuksellisen vahva akkukoteloalusta, jonka korkeus on puolet perinteisen rakenteen korkeudesta.

Siniset palkit auton lattian alla muodostavat akkukotelon verkkomaisen rakenteen. Docol 1700M -teräksestä 3D-rullamuovattujen palkkien ristikuvio pienentää verkon korkeutta kertoimella 2.

Kuinka kylmämuovattavaa Docol^® CR1220Y1500T-MS on?

Martensiittinen Docol® 1500 MPa -teräs parantaa kylmämuovausmahdollisuuksia seuraavasti:

• Syvävetosuhde 2,0
• Reiänlaajennuskyky tyypillisesti 40 %
• Taattu taivutussäde on 4,0*t
• Taattu rullamuovaus on 3,5*t

Mitä seuraavaksi UHSS-teräksen kylmämuovauksessa?

SSAB seuraa tarkasti uusien kylmämuovausteknologioiden käyttöönottoa. Kylmämuovauksen tehokkuus – lyhyempi kiinnittymisaika, helpommat prässäykset ja vähäisempi energiankulutus – on hyvin linjassa autovalmistajien tuotantoa, kustannuksia ja kestävyyttä koskevien tavoitteiden kanssa.

Kannustamme korirakenteen osien suunnittelijoita ottamaan muovausasiantuntijamme mukaan tuotekehitykseen jo prosessin varhaisessa vaiheessa parhaan lopputuloksen saavuttamiseksi. Ota yhteyttä paikalliseen Docol^®-edustajaan ja kerro projektisi tavoitteista.