Miksi muottikarkaistava teräs on nyt autosuunnittelijoiden suosiossa?

Haastattelimme kahta SSAB:n muottikarkaistavien terästen asiantuntijaa ja tutustumme seuraaviin asioihin:

• Autonvalmistajat käyttävät nykyään 1800 MPa:n ja 2000 MPa:n kuumamuovattuja booriteräksiä autojensa rungoissa.
• Nykyisten muottikarkaistavien terästen tuotantotekniikoiden tarjoama suunnitteluvapaus, johon kuuluvat ”pehmeät solukomponentit”.
• Kuumamuovauksen edut (esim. parempi muototarkkuus, monimutkaiset osageometriat) ja haitat (kustannukset, energia, hitaus).
• Docol^® 2000 PHS -teräksen kehitystarina.
• UHSS-terästen vertailu: PHS vs. martensiittinen.

Mitä mieltä olet 1900 MPa:n muottikarkaistavien terästen uudesta VDA-standardista?

Kyseessä on täysin uusi standardi, mutta jo nyt autonvalmistajat ovat käyttäneet sitä omien OEM-standardiensa kehittämiseen. Uuden PHS-laadun VDA-nimi on CR1900T-MB-DS. Se vastaa SSAB:n Docol^® PHS 2000 -terästä, jonka murtolujuus on jopa 2 000 MPa.

Se on vahvin saatavilla oleva teräs – mihin autosuunnittelijat käyttävät sitä?

Käyttökohteita on monia, mutta tärkeässä osassa ovat sähköautojen akkuja suojaavat kotelot, joihin ei saa kajota. Ne ovat erityisen haastava kohde sivutörmäystestissä. Autoteollisuuden OEM-valmistajat käyttävät PHS 2000 MPa -terästä turvaosissa, kuten poikittaispalkeissa lattia-alueella, sivupaneelien välissä suojaamassa sähköauton akkua.

Uskotko, että uusi Docol^® PHS 2000 MPa -teräs sopii myös muihin kohteisiin, joissa on perinteisesti käytetty PHS 1500 MPa -terästä?

PHS 2000 ja PHS 1800 eivät ole vain sähköautoja varten, vaan ne ovat hyödyllisiä myös polttomoottoriautoissa. Niitä voidaan käyttää, kun suunnittelijat tarvitsevat erittäin suurta lujuutta tai haluavat alentaa painoa ohuiden seinien avulla.

Booria sisältävien muottikarkaistavien terästen perinteinen käyttökohde autoteollisuudessa on ajoneuvon A- ja B-pilarit. Muottikarkaistavaa terästä käytetään kuitenkin myös kattokiskoissa, sivuseinien osissa, katon ja kojelaudan poikittaisosissa sekä ovien, tuulilasin pilarien ja lattioiden vahvikkeissa. Voidaan huomata, että nykyisissä kuumaprässätyissä osissa on usein erittäin monimutkaisia geometrioita, joissa muottikarkaistavat teräkset toimivat erinomaisesti.

Kuumavalssattujen terästen etuna on myös se, että yksittäisen osan lujuus voi vaihdella. Siten osa käyttäytyy tietyllä tavalla törmäyksessä, eikö niin?

Tosiaan. Kuumaprässäysmuotti voidaan segmentoida eri karkaisuprosesseihin. Esimerkiksi kun muottikarkaistavaan teräkseen halutaan luoda ”pehmeä solu”, koko osaa ei karkaista. Suojatun, karkaisemattoman osan lujuus on alhaisempi, mikä puolestaan voi vaimentaa suurta energiaa törmäyksen aikana. Karkaistu osa, jolla on suurempi murtolujuus, kestää suuria voimia. Muottikarkaistavan teräksen pehmeät solut ovat kehittyneet paljon viime vuosina. Esimerkiksi auton B-pilarin alaosaan voidaan tehdä pehmeä solu.

Räätälöidyt aihiot ovat toinen tapa saada aikaan ”segmentoitua käyttäytymistä” muottikarkaistavassa teräsosassa, eikö niin?

Kyllä. Räätälöity valssausaihio on kylmävalssattu teräsnauha, jonka paksuus vaihtelee leveyden mukaan. Voit siis määritellä, missä kohdassa haluat nauhan olevan paksumpi ja missä ohuempi. Tämä riippuu lopullisista vaatimuksista ja siitä, miten osan halutaan toimivan.

Hitsattua aihiota voidaan mukauttaa vielä pidemmälle: voit hitsata yhteen eripaksuisia muottikarkaistavia teräsnauhoja tai jopa hitsata muottikarkaistavan teräsnauhan muuhun kuin PHS-teräkseen.

Kaikki nämä valinnat muistuttavat muottikarkaistavan teräksen tarjoamasta suunnitteluvapaudesta.

Mietitäänpä booriterästä, joka kuumennetaan ja prässätään 900 °C:n lämpötilassa. Tässä lämpötilassa voit helposti kuumaprässätä muottikarkaistavan teräksen erittäin monimutkaisiin muotoihin, joissa on syviä osioita. Näin autosuunnittelijat saavat vapaat kädet suunnitella osia entistä luovemmin. Se voi tarkoittaa muottikarkaistavan teräksen suuren murtolujuuden hyödyntämistä kevyempien osien suunnittelussa. Ehkä suunnitteluvapauden avulla voidaan vähentää osien määrää. Suunnitteluvapaus voi myös tarkoittaa osia, jotka toimivat paremmin törmäystesteissä.

Kuumaprässätyillä osilla on parempi lopullinen muototarkkuus, vai mitä?

Lämpökäsitellyn teräksen perusargumentti on se, että takaisinjoustoa on vähän tai ei lainkaan, mikä puolestaan parantaa muototarkkuutta. Tämä on monella mielessä, kun AHSS-teräksien murtolujuudet kasvavat, jolloin mahdollisuus takaisinjoustoon voi kasvaa.

Toisaalta me myös ymmärrämme paremmin kuin koskaan kylmämuovattujen autonosien takaisinjoustoa jopa gigapascal-teräksiä käytettäessä, ja pystymme paremmin ennakoimaan ja hallitsemaan sitä.

Toki paljon riippuu osan suunnittelusta. Sen sijaan, että vain olettaisit, että joudut maksamaan muottikarkaistavasta teräksestä takaisinjouston välttämiseksi, keskustele asiasta AHSS-toimittajan kanssa jo suunnitteluprosessin alkuvaiheessa. Pienillä muutoksilla ja tuotantovaiheiden oikealla järjestelyllä monia suunnittelukonsepteja voidaan kylmämuovata onnistuneesti ja niiden lopullinen muototarkkuus on erittäin hyvä.

Docol^® PHS 2000 -teräs on epätavallista, koska se kehitettiin alun perin yhdelle asiakkaalle, vai mitä?

Kyllä. Teemme aina tiivistä yhteistyötä asiakkaidemme kanssa. Tässä tapauksessa asiakkaamme Gestamp esitti meille erittäin yksityiskohtaisen pyynnön: ”Voisitteko kehittää muottikarkaistavan teräksen, jolla on 2 000 megapascalin murtolujuus, mutta jolla on sama sitkeys kuin 22 MnB5 teräksellä (1 500 MPa)? Sitä tarvitaan ideoimaamme entistä kevyempään puskuriin.” Arvelimme, että 2 000 MPa:n teräksestä olisi hyötyä myös muissa turvaosissa, joten otimme tehtävän vastaan.

Kuumamuovausteräksen kehittämisellä on omat ainutlaatuiset haasteensa, eikö niin?

Aivan oikein. Kuten tiedät, muottikarkaistun teräksen tapauksessa osavalmistaja kehittää teräksen lopulliset mekaaniset ominaisuudet kuumentaessaan, muovatessaan ja karkaistessaan terästä. Lisäksi lopputulokseen vaikuttaa monia eri tekijöitä: Kuinka kauan teräs on uunissa ja missä lämpötilassa? Mitä jäähdytystapaa käytetään? Mikä on työkalun ja materiaalin välinen kosketuspaine?

Kaikki nämä OEM-valmistajien ja osatoimittajien kuumaprässäysprosessit ovat patentoituja – jokainen voi käsitellä muottikarkaistavaa terästä omalla tavallaan. Gestamp ei edes jaa kuumaprässäystietojaan kanssamme! (nauraa) Meidän oli kuitenkin valmistettava PHS 2000 -teräs, joka sopii useille autonvalmistajille. Se oli siis varsin haastavaa.

Jotta PHS 2000 -teräkseen saataisiin haluttu sitkeys, SSAB:n piti keskittyä teräksen kemialliseen koostumukseen ja käsittelyihin tehtaillamme. Lisäksi tarjoamme asiakkaille suositellun uunilämpötilan ja jäähdytysnopeuden. Tieto vähimmäisjäähdytysnopeudesta tarvitaan, jotta martensiittinen mikrorakenne ja siten myös lopullinen murtolujuus voidaan saavuttaa.

Mitä Gestamp teki?

He testaisivat materiaalejamme muottikarkaisutyökaluillaan. Heidän palautteensa ja testinsä olivat erittäin arvokkaita, kun teimme iteraatioita PHS 2000 -teräkselle. Läheinen yhteistyömme on ollut opettavaista kaikille osapuolille.

Mikä oli lopputulos?

Gestamp PHS 2000 -teräspuskuri on 17 % kevyempi ja silti kustannustehokas. Hanke oli siis Gestampin ja SSAB:n voitto.

Ultralujien terästen nopea vertailu

	Muottiin karkaistavat teräkset (PHS)	Martensiittinen teräs (MS)
Osien muovausprosessi	Kuumaprässäys	Kylmämuovaus
Suurin murtolujuus	2000 MPa	1700 MPa
Suunnitteluvapaus monimutkaisille osille (esim. syvät osiot jne.)	Erinomainen: 900 °C:ssa osat on helppo muovata monimutkaisiin malleihin	Monimutkaisia rakenteita on ehkä muokattava kylmämuovaustekniikoita varten
Takaisinjousto	Huomattavasti vähentynyt tai poistettu	Tarvitaan ennakointia ja hallintaa
Lopullinen muototarkkuus	Erittäin hyvä	Erittäin hyvä kun takaisinjousto on hallinnassa
Työkalujen valmistus	Paljon kalliimpi	Edullisempi
Tuotantoaika	Paljon hitaampi	Paljon nopeampi
Energiankäyttö/hiilijalanjälki muovauksessa	Erittäin korkea	Alempi
Osan kokonaiskustannukset	Korkeampi	Alempi
Suosio (% auton koreista)	Kasvaa	Kasvaa