Perché l'acciaio per stampaggio a caldo è ora particolarmente in voga tra i progettisti automobilistici

Abbiamo intervistato due esperti SSAB sugli acciai per stampaggio a caldo per scoprire:

• Dove gli OEM di automobili stanno usando attualmente acciai al boro stampati a caldo da 1800 MPa e 2000 MPa nelle loro carrozzerie.
• La libertà di progettazione offerta dalle attuali tecnologie di produzione PHS, compresi i componenti "soft cell".
• I vantaggi (ad es. migliore precisione di forma, geometrie complesse dei pezzi) e gli svantaggi (costi, energia, bassa velocità) dello stampaggio a caldo.
• La storia dello sviluppo di Docol^® 2000 PHS.
• Un confronto tra acciai UHSS: PHS vs. martensitico.

Cosa puoi dirci del nuovo standard VDA per l'acciaio per stampaggio a caldo da 1900 MPa?

Si tratta di uno standard completamente nuovo, che però le case automobilistiche hanno già utilizzato per sviluppare i propri standard OEM. Il nome VDA per la nuova qualità PHS è CR1900T-MB-DS, corrispondente alla qualità di SSAB Docol^® PHS 2000, che raggiunge un carico di rottura di due gigapascal, o 2000 MPa.

Questo è l'acciaio più resistente sul mercato: dove lo impiegano i progettisti di automobili?

Ci sono molte diverse applicazioni possibili, ma in cima all'elenco c'è la protezione dei pacchi batteria nelle piattaforme dei veicoli elettrici, dove non è consentita alcuna intrusione, il che è particolarmente difficile per i crash test laterali. Quindi, gli OEM del settore automobilistico utilizzeranno l'acciaio PHS da 2000 MPa nei componenti di sicurezza, come le traverse nell'area del pavimento, tra i fondi di carrozzeria laterali, per proteggere la batteria del veicolo elettrico.

Pensi che il nuovo Docol^® PHS da 2000 MPa possa essere impiegato anche in altri ambiti in cui viene usato tradizionalmente il PHS da 1500 MPa?

Sì, il PHS 2000 e il PHS 1800 non sono solo per i veicoli elettrici: saranno utili anche per le auto ICE (con motore a combustione interna). Può essere utilizzato ovunque i progettisti richiedano la massima resistenza dell'acciaio o una riduzione del peso utilizzando pareti più sottili.

La classica applicazione automobilistica per gli acciai per stampaggio a caldo al boro è costituita dai montanti A e B dei veicoli. Tuttavia, il PHS è usato anche nei supporti per tetti, nei longheroni, nelle traverse del tetto e del cruscotto, nonché nel rinforzo delle portiere, dei montanti del parabrezza e nei pavimenti. Puoi notare che gli attuali design di queste parti stampate a caldo tendono a presentare geometrie altamente complesse, ed è qui che gli acciai PHS si prestano particolarmente.

Un altro vantaggio dell'utilizzo di acciai stampati a caldo è che un singolo componente può avere diversi livelli di resistenza, quindi il componente si comporta in modo specifico durante un incidente, giusto?

Esattamente. Una matrice per stampaggio a caldo può essere segmentata per avere diversi processi di tempra. Ad esempio, per creare un PHS "soft cell" non si tempra l'intero pezzo. La parte coperta, non temprata, avrà un livello di resistenza inferiore che, a sua volta, può assorbire molta energia durante un incidente. Il segmento temprato della parte, con un maggior carico di rottura, sopporta forze elevate. Negli ultimi anni si è assistito a un grande sviluppo dei PHS soft cell. Ad esempio, realizzare un soft cell per la parte inferiore del B-pillar dell'auto.

I tailored blank sono un altro modo per ottenere un "comportamento segmentato" in una parte del PHS, giusto?

Sì. Un tailored blank è una lamiera da coils in acciaio laminata a freddo per avere spessori diversi per tutta la larghezza della lamiera da coils. Quindi, è possibile specificare se la lamiera deve essere più spessa e dove invece deve essere più sottile, in base ai requisiti finali per il componente e alle prestazioni desiderate.

Un pezzo grezzo saldato di precisione può essere ancora più vario: è possibile saldare insieme lamiere da coils di PHS di diverso spessore o perfino saldare una lamiera da coils in acciaio PHS a una lamiera da coils in acciaio non PHS.

Tutte queste scelte mi ricordano quella che si definisce "libertà di progettazione" del PHS.

Pensaci: hai un acciaio al boro da riscaldare e temprare a 900 °C. A tale temperatura, si può facilmente stampare a caldo il PHS in forme molto complesse con profilati profondi. Quindi, con questo tipo di libertà di progettazione, i progettisti di automobili possono essere più creativi con i loro componenti. Forse ciò significa sfruttare l'elevato carico di rottura del PHS per progettare parti più leggere. Forse la libertà di progettazione si traduce in poche parti, il consolidamento delle parti. E forse la libertà di progettazione significa che le parti funzionano meglio nei crash test.

Le parti stampate a caldo possono avere una migliore precisione di forma del pezzo finale, giusto?

Beh, il vantaggio standard per l'acciaio trattabile termicamente è che si ha un ritorno elastico minimo o nullo e che, a sua volta, porta a una migliore precisione della forma. Ciò rimane in mente a molti, poiché i carichi di rottura AHSS aumentano sempre di più e il ritorno elastico può aumentare.

Ma, d'altro canto, capiremo anche meglio che mai - e possiamo meglio prevedere e controllare - il ritorno elastico nei componenti di auto formati a freddo, anche quando si utilizzano acciai gigapascal.

Naturalmente, molto dipende dalla progettazione del componente: piuttosto che limitarsi a supporre che si debba pagare di più per l'uso degli acciai PHS per evitare il ritorno elastico, si consiglia di rivolgersi al proprio fornitore AHSS all'inizio del processo di progettazione. Molti concetti di progettazione, con lievi modifiche e la corretta sequenza delle fasi di produzione, possono essere in seguito formati a freddo con un'ottima precisione della forma finale.

L'acciaio Docol^® PHS 2000 è insolito perché è stato sviluppato in origine per un cliente, vero?

Sì. Lavoriamo sempre a stretto contatto con i nostri clienti. Ma in questo caso Gestamp si è rivolto a noi con una richiesta molto specifica: "Potete sviluppare un acciaio per stampaggio a caldo con un carico di rottura di 2000 megapascal ma con una duttilità di 22 MnB5 (carico di rottura di 1500 MPa)? Vogliamo usarlo nella nostra progettazione di un paraurti più leggero." Abbiamo visto il valore di un acciaio da 2000 MPa anche per altri componenti di sicurezza, quindi abbiamo accettato.

Lo sviluppo di un acciaio per stampaggio a caldo presenta sfide uniche, vero?

Esatto. Come ben si sa, con gli acciai temprati a pressione il produttore sviluppa le proprietà meccaniche finali dell'acciaio in fase di riscaldamento, formatura e tempra dell'acciaio. E così entrano in gioco molti fattori diversi: Per quanto tempo l'acciaio rimane nell'altoforno e a quale temperatura? Quali mezzi di raffreddamento utilizzano nello strumento? Qual è la pressione di contatto tra l'utensile e il materiale?

E tutti questi processi di stampaggio a caldo per OEM e fornitori di primo livello sono proprietari: ciascuno può lavorare l'acciaio PHS in modo diverso. Gestamp non condivide neanche le sue informazioni di stampa a caldo con noi! (dice ridendo) Ma abbiamo dovuto produrre un acciaio PHS 2000 che funzionasse per diversi OEM di automobili. Quindi è stato piuttosto difficile.

Per portare il PHS 2000 ai livelli di duttilità richiesti, SSAB si è concentrata sulla composizione chimica dell'acciaio e sui nostri sistemi di lavorazione nelle nostre acciaierie. Su questo e sul fornire ai clienti la temperatura dell'altoforno e la velocità di raffreddamento raccomandate: la velocità di raffreddamento minima necessaria per ottenere la microstruttura martensitica dell'acciaio e quindi il suo carico di rottura massimo.

E cosa ha fatto Gestamp?

Hanno testato i nostri materiali utilizzando i loro utensili per lo stampaggio a caldo. Il loro feedback e i test sono stati estremamente preziosi, poiché abbiamo potuto fare iterazioni sull'acciaio PHS 2000. Lavorare così a stretto contatto con loro ha accelerato il nostro apprendimento e il loro.

Qual è stato il risultato?

Il paraurti in acciaio PHS 2000 di Gestamp è più leggero del 17% e comunque economico. Quindi è stato un vantaggio sia per Gestamp che per SSAB.

Un rapido confronto degli acciai ultra altoresistenziali

	Acciaio per stampaggio a caldo (PHS)	Acciaio martensitico (MS)
Processo di formatura dei pezzi	Stampaggio a caldo	Formatura a freddo
Carico di rottura massimo	2000 MPa	1700 MPa
Libertà di progettazione per parti complesse (ad es. profilati profondi, ecc.)	Molto alta: a 900 °C, i componenti vengono facilmente modellati in progetti complessi	Potrebbe essere necessario modificare progetti complessi per le tecniche di formatura a freddo
Ritorno elastico	Molto ridotto o eliminato	Deve essere previsto e controllato
Precisione finale della forma	Ottima	Ottimo quando il ritorno elastico è gestito correttamente
Utensili	Molto più costosi	Meno costosi
Tempi di produzione	Molto più lenti	Molto più veloci
Consumo energetico/impronta di CO2 per la formatura	Molto alto	Inferiore
Costo totale del pezzo	Più alto	Inferiore
Popolarità (% della carrozzeria)	Crescente	Crescente