Miltä martensiittisen AHSS-teräksen tulevaisuus näyttää autoteollisuudessa?

Haastattelimme terästeollisuuden 40-vuotista veteraania Kenneth Olssonia seuraavista aiheista:

• Akkukäyttöisiin sähköajoneuvoihin tarvitaan paksumpia (jopa 4 mm) martensiittisia teräslaatuja.
• Uudet kylmäpuristustekniikat (rullamuovauksen sijaan), mahdollistavat komponenttimallit 1 500 MPa:n martensiittisesta teräksestä 3D-muodossa.
• Autonvalmistajat tottuvat martensiittisen teräksen kylmämuovaukseen, joka syrjäyttää muottikarkaistavan teräksen ja erikoislujan kaksifaasiteräksen tietyissä käyttökohteissa.
• Onko nykyään riittävästi kysyntää 1900 MPa:n martensiittisen teräksen kehittämiselle?

Kenneth Olsson on työskennellyt SSAB:llä 35 vuotta, muun muassa 10 vuotta martensiittisten ja muiden AHSS-teräslaatujen tuotekehityksessä. Kenneth on tällä hetkellä SSAB:n Automotive Business Development Specialist.

Miten SSAB:stä tuli Euroopan ensimmäinen martensiittisen kehittyneen erikoislujan teräksen (AHSS) tarjoaja autovalmistajille?

Me olimme ensimmäinen eurooppalainen teräksenvalmistaja, joka investoi jatkuvatoimiseen hehkutuslinjaan. Päätimme käyttää japanilaista hehkutustekniikkaa, joka oli tuolloin uusinta uutta. Vesijäähdytyksen ansiosta jatkuvatoimisella hehkutuslinjallamme on erittäin suuri jäähdytysnopeus, ja se pystyy helposti valmistamaan martensiittisia teräksiä. Olimme vuosien ajan ainoa eurooppalainen tehdas, joka pystyi kehittämään ja valmistamaan näitä teräslaatuja. Olemme varsinaisia martensiittisia pioneereja.

Miten autonvalmistajat reagoivat uuteen martensiittiseen teräkseen?

Vastaanotto oli hyvin vastentahtoinen, sillä kyseessä oli niin uusi asia. Martensiittiselle teräkselle oli vain yksi yhdysvaltalainen tuottaja ja SSAB. Siinä kaikki. SSAB:n martensiittisen teräksen ensimmäinen käyttökohde olivat äärimmäisen kulutuskestävät liukuhihnat, joita tarvitaan esimerkiksi pikkuleipien valmistuksessa. Sitä on käytetty myös turvakengissä varvassuojana.

Varvassuojia ja pikkuleipien liukuhihnoja?

Kyllä, aluksi. Sitten noin 30 kansainvälistä teräksentuottajaa teki yhteistyötä yhteisen tavoitteen, eli entistä kevyempien ja turvallisempien autojen, parissa. ULSAB-hanke (Ultralight Steel Auto Body) auttoi edistämään AHSS-terästen, mukaan lukien martensiittisen teräksen, käyttöä autoissa. Näytimme, miten kustannustehokas martensiittinen teräs voi parantaa auton törmäysominaisuuksia ja keventää painoa.

Liittyikö joidenkin autonvalmistajien vastahakoisuus martensiittisen teräksen käyttöä kohtaan muovattavuutta koskeviin huolenaiheisiin?

Kyllä. SSAB:n ensimmäisen martensiittisen teräslaadun murtolujuus oli 1 400 megapascalia (MPa) ja myötölujuus 1 150 MPa. SSAB:n missio erikoislujien teräksien kehittämiseksi on kaksijakoinen: ensinnäkin meidän on opeteltava valmistamaan vahvoja ja kevyitä teräksiä. Toiseksi meidän on myös koulutettava asiakkaitamme – autonvalmistajia ja osatoimittajia – siitä, miten erikoislujista teräksistä valmistettuja komponentteja simuloidaan, muovataan ja liitetään.

Mitä huolia autonvalmistajilla oli martensiittisen teräksen liittämisestä?

Martensiittisessa Docol®-teräksessä on itse asiassa vain vähän seosaineita, mutta niitä ja hiiltä on silti pieniä määriä. Hitsausparametrit on siis asetettava sen mukaisesti. Martensiittista terästä käytettäessä on ymmärrettävä, miten esimerkiksi pistehitsaukset voidaan tehdä. Martensiittinen Docol-teräs kilpailee jossain määrin muottikarkaistujen terästen (PHS) kanssa. Niistä käytetään myös nimitystä kuumamuovatut teräkset, joilla on myös ultralujat (UHSS) luokitukset. PHS-teräksissä on kuitenkin enemmän seosaineita ja hiiltä, joten PHS:n hitsaaminen on monimutkaisempaa kuin martensiittisen Docol-teräksen.

SSAB päätti keskittyä kylmämuovattuun martensiittiseen teräkseen, eikö vain?

Kyllä. SSAB tarjoaa tietenkin myös muottikarkaistuja teräksiä. Kuumaprässäys on kuitenkin tutumpi menetelmä joillekin autonvalmistajille, ja palvelemme heitä mielellämme. Muottikarkaistut teräkset on kuitenkin kuumennettava 900 °C:n lämpötilaan puristuslinjassa tai uunissa ennen puristuslinjaa. Tämän jälkeen ne kuumaprässätään, minkä jälkeen osa on karkaistava työkaluun. Muottikarkaisu on siis ehdottomasti monimutkaisempi, hitaampi, kalliimpi ja energiaa vievempi prosessi kuin osien kylmämuovaus martensiittisesta teräksestä. Aikaansaatu lujuus on kuitenkin samankaltainen.

Miksi jotkut valmistajat suosivat kuumaprässäystä kylmämuovauksen sijaan?

900 °C:n lämpötilaan kuumennettuna PHS on erittäin pehmeää, joten sitä on helppo muovata. PHS saavuttaa martensiittisen mikrorakenteensa muottikarkaisun aikana. SSAB puolestaan uskoo, että tarkasti valvotuissa tehtaissa tehtävästä lämpökäsittelystä on hyötyä. Sitten lähetämme lämpökäsitellyt martensiittiset kelat asiakkaalle ja he voivat kylmäprässätä ne huoneenlämmössä. Tämä tarkoittaa vähäisempiä käsittelyvaiheita asiakkaalle. Kuten kaikkien erikoislujien terästen tapauksessa, kylmämuovattavan martensiittisen teräksen kohdalla on ymmärrettävä takaisinjousto ja otettava se huomioon. Tässä me voimme auttaa asiakasta.

SSAB esitteli siis ensimmäisen martensiittisen 1400 MPa:n teräslaatunsa jo vuonna 1993. Miksi SSAB päätti laajentaa martensiittista valikoimaa muihin lujuusluokkiin?

1400M:n jälkeen SSAB esitteli 1200M:n. Yhdysvalloissa General Motors aloitti hieman muita valmistajia aiemmin martensiittisen teräksen käytön rullamuovatuissa komponenteissa, kuten puskurivahvikkeissa, sivutörmäyssuojissa ja joissakin istuinrakenteen komponenteissa. GM ja sitten Ford ja Chrysler halusivat kuitenkin 900 MPa:n, 1100 MPa:n, 1300 MPa:n, 1500 MPa:n ja lopulta 1700 MPa:n murtolujuuden. SSAB sopeutti liiketoimintaansa asiakkaidensa materiaalitarpeisiin. Esimerkiksi Shape Corporation käyttää uusinta 1700 MPa:n martensiittista teräslaatuamme vuoden 2020 Ford Explorer -kattokiskossa.

Onko SSAB:n suunnitelmissa lisätä martensiittista lujuutta entisestään?

Voimme kehittää kylmämuovattavan martensiittisen 1900 MPa:n teräslaadun, mutta sille on oltava riittävästi kysyntää. Jotkut asiakkaat puhuvat jo kanssamme 1900M-teräksestä. Ymmärrämme kuitenkin myös, miten asiakkaamme näkevät autoteollisuuden AHSS-terästen kehityksen. Nykyiset martensiittiset teräslaatumme kehitettiin jo vuosia sitten. Uuden laadun lisääminen OEM standardeihin ja paikallisiin standardeihin, kuten saksalaiseen Verband der Automobilindustrieen eli VDA:han ja American Society of Automotive Engineers -standardiin eli SAE:en, voi viedä aikaa. Kun laadulle viimein asetetaan standardi, asiakkaat voivat luottaa sen käytettävyyteen.

Mikä olisi tärkein tekijä, jonka vuoksi autonvalmistaja tai osatoimittaja haluaisi käyttää 1900 MPa:n martensiittista terästä?

Syynä on totta kai entistä kevyempi paino. En kuitenkaan odota 1900M:n suosion räjähtävän seuraavien parin vuoden aikana, koska 1700M on vasta vakiinnuttamassa asemaansa – sekä asiakkaiden että standardien näkökulmasta. Tällä hetkellä keskitytään paljon 1500M-teräkseen, joka on perinteisesti rullamuovattu joko suoriksi tai kaareviksi profiileiksi. 

Onko olemassa muita tapoja muovata autonosia 1 500 MPa:n martensiittisesta teräksestä?

Kyllä. Japanilaiset – jotka keskittyvät yleensä enemmän kylmäprässäykseen kuin rullamuovaukseen – käyttävät uutta kylmäprässäystekniikkaa erikoislujille teräksille. Tämä on iso askel eteenpäin. Pelkkien rullamuovauksella tehtyjen suorien tai kaarevien profiilien sijaan kylmäprässätty profiili voi olla minkä tahansa muotoinen. Sanoisin, että kaikki japanilaiset autonvalmistajat haluavat nyt ottaa käyttöön 1500 MPa:n kylmäprässätyt osat tällä hetkellä kehittävissä autoissa.

Millaisia martensiittisia osia kylmäprässäyksellä voitaisiin saada aikaan?

Esimerkiksi B-pilarin vahvikkeen muoto on vaikea rullamuovata. Saranapilarin vahvikkeessa on tavallisesti 3D-muoto, jota voidaan kylmäprässätä, mutta ei rullamuovata.

Tarvitseeko SSAB:n tehdä jotakin Docol 1500M -teräkselle, jotta se olisi paremmin yhteensopiva kylmäprässäyksen kanssa?

Kyllä, luultavasti siihen tarvitaan hieman muokattu versio. Rullamuovauksessa on etua siitä, että myötölujuus on suurempi verrattuna murtolujuuteen. Kylmäprässäyksessä on parempi, että myötölujuus on pienempi, jotta muovatun komponentin kaarevan osan takaisinjoustoa voidaan hallita.

Siksi SSAB:n on tiedettävä tarkalleen, miten asiakas aikoo muovata teräksiämme.

Tosiaan. Siksi kannustammekin asiakkaitamme osallistumaan suunnitteluun jo varhaisessa vaiheessa, jotta voimme paremmin vastata heidän huolenaiheisiinsa ja täyttää heidän tarpeensa. Jotkin autonvalmistajat ovat esimerkiksi olleet varovaisia martensiittisten terästen – erityisesti sähkösinkittyjen martensiittisten terästen – käytössä niiden viivästyneeseen murtumiseen liittyvien ongelmien vuoksi, joita kutsutaan myös vetyhauraudeksi. SSAB:llä on ainutlaatuinen etulyöntiasema sähkösinkityn martensiittisen teräksemme ansiosta. Aloitamme teräksestä, jossa on vain pieni määrä seosaineita ja valvomme sitten tarkasti sinkitysprosessia, jotta vältyttäisiin todennäköisyydeltä viivästyneille murtumille. Käyttämämme tekniikka on erittäin turvallista ja vakiintunutta.

Miten martensiittinen teräs kilpailee alumiinin kanssa autojen suunnittelussa?

Alumiini on ollut varsin suosittua ylellisten autojen valmistuksessa. Siitäkin huolimatta tavallisesti käytössä on alumiinin ja kehittyneen erikoislujan teräksen, kuten martensiittisen teräksen, yhdistelmä. Tarkoitan tällä sitä, että optimoidussa auton korissa on todennäköisesti yhdistelmä alumiinia paneeleissa (jotka eivät vaimenna törmäysenergiaa) ja mahdollisimman lujaa AHSS-terästä törmäysvoimia vaimentavissa komponenteissa.

Entä muut kuin luksusautot – massatuotantoautot?

AHSS-terästen paino voi olla suunnilleen sama kuin alumiinin, mutta hinta alle puolet. Automalleissa, joissa kustannukset ovat tärkeässä asemassa, OEM-valmistajat käyttävät yhä enemmän AHSS-terästä kussakin mallissa.

Miten SSAB:n martensiittinen Docol eroaa muiden valmistajien tuotteista?

Pitkä kokemuksemme martensiittisten terästen kehittämisestä ja valmistamisesta on auttanut meitä viemään eteenpäin prosessitekniikkaamme, mukaan lukien suurinta mahdollista jäähdytystehoa, jonka ansiosta voimme käyttää mahdollisimman vähän seosaineita. Martensiittisten Docol-terästen kemiallinen koostumus sisältää huomattavasti vähemmän seosaineita kuin useimpien kilpailijoidemme teräs. Tämä helpottaa hitsausta ja ehkäisee viivästynyttä murtumista. Kuten jo mainitsin, sinkkipinnoitettuja martensiittisia Docol-teräslaatuja pidetään erinomaisena vaihtoehtona viivästyneeseen murtumiseen liittyvien ongelmien ratkaisemisessa. SSAB:llä on myös erittäin taitavia tuotekehityksen asiantuntijoita sekä KSC (Knowledge Service Center) asiakaspalvelu, jonka tarkoituksena on tukea asiakkaita martensiittisten terästen käytössä. Autamme esimerkiksi autonosien muovaussimulaatioiden tekemisessä tai martensiittisen teräksen hitsauksessa.

Miten autonvalmistajat kehittävät valmistusprosessejaan martensiittisten terästen käyttöä varten?

Meillä on joitakin valmistajia, jotka ovat käyttäneet kaksifaasiteräksiä 1 000 MPa:n lujuuteen asti, mutta kokeilevat nyt kylmäprässäystä martensiittisiin teräksiin.

Miten muuten martensiittista Docol-terästä kehitetään?

Puhuimme jo korkeammista lujuustasoista, mutta toinen tapa saada aikaan parannuksia on tehdä martensiittisista teräslajeista paksumpia. Olemassa olevan kylmävalssatun ja hehkutetun martensiittisen teräksemme enimmäispaksuus on 2,1 mm. Kun uusi jäähdytyslinja on asennettu kuumanauhavalssaamoomme, voimme valmistaa myös kuumavalssattuja martensiittisia teräksiä, jotka karkaistaan suoraan kuumavalssauksessa, jolloin paksuus voi olla jopa 4 mm. 4 mm:n paksuinen 1200 MPa:n Docol-martensiittinen teräs on nyt saatavilla asiakkaille. Kehitämme seuraavaksi paksumpaa kuumavalssattua 1500M-terästä.

Miten autosuunnittelijat voisivat käyttää uutta, paksumpaa martensiittista Docol-terästä?

Akkutoimisissa sähköautoissa sähköautojen akku ja sen suojakotelo voivat painaa jopa 800 kg. Sähköautoihin tarvitaan siis vahvempia suojapalkkeja. Sähköautoja voidaan vahvistaa lisäämällä käytetyn teräksen lujuutta, teräksen paksuutta tai molempia.

Tuleeko mieleesi muita paksumman martensiittisen teräksen käyttökohteita?

On myös olemassa uusia, entistä tiukempia törmäysmääräyksiä, joten uuden, paksumman martensiittisen teräksen käyttäminen esimerkiksi puskureissa voi olla hyödyllistä. Sähköautojen paino on kuitenkin ensisijainen tekijä, joka lisää entistä paksumpien martensiittisten teräslaatujen tarvetta – niiden kaikkien törmäystä vaimentavien osien on oltava entistä vahvempia. Tietynmallisiin osiin tarvitaan siis martensiittisia teräslaatuja, joiden (murto)lujuus on suurempi olemassa olevilla paksuuksilla, jotka ovat enintään 2,1 mm. Mutta joissakin malleissa voitaisiin hyödyntää uusia, paksumpia (jopa 4 mm:n paksuisia) martensiittisia teräslaatuja, joita on tällä hetkellä saatavilla 1 200 MPa:n murtolujuudella, sekä paksumpia 1500M-teräksiä, joita kehitetään parhaillaan.