Jaka jest przyszłość stali martenzytycznej AHSS w przemyśle motoryzacyjnym

Nasz wywiad z Kennethem Olssonem, 40-letnim weteranem branży stalowej, dotyka następujących tematów:

• Pojazdy elektryczne motorem napędowym grubszych (do 4 mm) gatunków stali martenzytycznej.
• Nowe technologie tłoczenia na zimno (zamiast formowania na rolkach), które otwierają możliwość projektowania komponentów o złożonych 3-wymiarowych geometriach ze stali martenzytycznej 1500 MPa.
• Jak producenci samochodów z coraz większą swobodą formują stale martenzytyczne na zimno, rezygnując z niektórych stali PHS i wysokowytrzymałych stali DP.
• Czy zapotrzebowanie na opracowanie stali martenzytycznej 1900 MPa jest obecnie wystarczające?

Kenneth Olsson pracuje w SSAB od 35 lat, w tym 10 lat w dziale rozwoju produktów ze stali martenzytycznych i innych gatunków stali AHSS. Kenneth jest obecnie specjalistą ds. rozwoju działalności motoryzacyjnej w SSAB.

Jak to się stało, że firma SSAB jako pierwsza w Europie zaoferowała producentom samochodów zaawansowaną stal martenzytyczną o wysokiej wytrzymałości (AHSS)?

Ponieważ byliśmy pierwszym europejskim producentem stali, który zainwestował w linię do ciągłego wyżarzania. Zdecydowaliśmy się na zastosowanie wiodącej w owym czasie japońskiej technologii wyżarzania. Dzięki hartowaniu w wodzie nasza linia do ciągłego wyżarzania charakteryzuje się bardzo dużą szybkością chłodzenia i może z łatwością wytwarzać stale martenzytyczne. Przez wiele lat byliśmy jedyną hutą w Europie zdolną opracowywać i produkować te gatunki stali. Naprawdę jesteśmy pionierami stali martenzytycznej.

Jakie były reakcje producentów samochodów na nową stal martenzytyczną?

Rynek był bardzo niechętny, ponieważ był to zupełnie nowy produkt. Stale martenzytyczne wytwarzał jeden producent w Stanach Zjednoczonych oraz SSAB. To wszystko. Po raz pierwszy stal martenzytyczna SSAB została zastosowana w taśmach przenośnikowych o wysokiej odporności na zużycie, stosowanych na przykład przez producentów ciastek. Później stosowana była w obuwiu ochronnym do ochrony palców.

Noski do butów i przenośniki do ciastek?

Takie były początki. Ale potem około 30 międzynarodowych producentów stali przystąpiło do współpracy nad wspólnym celem: sprawieniem, żeby samochody były lżejsze i bezpieczniejsze. Projekt „Ultralekka Stalowa Karoseria” – ULSAB – zdecydowanie przyspieszył wdrożenie stosowania w samochodach stali AHSS, w tym stali martenzytycznych. Wykazaliśmy, że stal martenzytyczna może poprawić odporność samochodów na zderzenia, obniżyć masę komponentów i być bardzo opłacalna kosztowo.

Czy niechęć producentów samochodów do stosowania stali martenzytycznej wynikała częściowo z obaw dotyczących podatności tej stali na formowanie?

Tak. Pierwszy gatunek stali martenzytycznej SSAB miał wytrzymałość na rozciąganie 1400 megapaskali (MPa) i granicę plastyczności 1150 MPa. Zadanie SSAB w zakresie zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości jest naprawdę dwojakie: po pierwsze, musimy ustalić, jak wytwarzać te mocne i lekkie stale, a po drugie, musimy nauczyć naszych klientów – producentów OEM i ich bezpośrednich dostawców – w jaki sposób prowadzić symulacje projektów AHSS, a następnie formować i łączyć elementy z tych stali.

Jakie obawy mieli producenci samochodów w odniesieniu do łączenia stali martenzytycznej?

Stal martenzytyczna Docol® skomponowana jest z niewielu składników, ale zawiera jednak pewne stopy i węgiel. Trzeba więc odpowiednio ustawić parametry spawania. Trzeba wiedzieć, jak uzyskać plastyczne spoiny punktowe podczas stosowania stali martenzytycznej. Stal martenzytyczna Docol konkuruje do pewnego stopnia ze stalami hartowanymi w procesie tłoczenia (PHS), znanymi również jako stale tłoczone na gorąco, które również mają ultra wysoką wytrzymałość (UHSS). Jednak stale PHS zawierają większą ilość stopów i węgla, więc spawanie PHS jest bardziej skomplikowane niż spawanie stali martenzytycznej Docol.

Firma SSAB podjęła świadomą decyzję o skupieniu się na stali martenzytycznej formowanej na zimno, prawda?

Tak. Jednak oczywiście SSAB oferuje również stale do hartowania w procesie tłoczenia. Niektórzy producenci OEM lepiej znają procesy tłoczenia na gorąco, więc z przyjemnością spełniamy ich potrzeby. Jednak stale hartowane w trakcie formowania na gorąco trzeba podgrzać do 900°C na linii tłoczenia lub w piecu przed linią tłoczenia. Następnie są tłoczone na gorąco, po czym wytłoczona część jest hartowana w narzędziu. Tak więc hartowanie w procesie tłoczenia jest zdecydowanie bardziej skomplikowane, wolniejsze, droższe i bardziej energochłonne niż formowanie na zimno komponentów ze stali martenzytycznej w celu osiągnięcia podobnie wysokiej wytrzymałości.

Dlaczego więc niektórzy producenci OEM wolą tłoczenie na gorąco od formowania na zimno?

W temperaturze 900°C stal jest bardzo miękka i łatwa do ukształtowania. Stal PHS osiąga martenzytyczną strukturę podczas hartowania w procesie tłoczenia. SSAB uważa natomiast, że korzystniejsze jest przeprowadzanie obróbki cieplnej w naszych precyzyjnie sterowanych liniach. Kręgi stali martenzytycznej po obróbce cieplnej przesyłamy do klienta, który może nadać im pożądany kształt w temperaturze pokojowej. Dla klienta oznacza to mniej etapów przetwarzania. Jednak podobnie jak w przypadku każdej stali wysokowytrzymałej, formowanie stali martenzytycznej na zimno wymaga zrozumienia i uwzględnienia sprężynowania – w czym możemy klientowi pomóc.

Wracając na chwilę do historii, firma SSAB wprowadziła pierwszy gatunek stali martenzytycznej 1400 MPa do swojego asortymentu już w roku 1993. W jaki sposób firma SSAB zdecydowała się rozszerzyć linię stali martenzytycznych o inne gatunki wytrzymałości?

Po 1400M firma SSAB wprowadziła do oferty 1200M. W Stanach Zjednoczonych przedsiębiorstwo General Motors nieco wcześniej niż inni producenci OEM zastosowało stal martenzytyczną do produkcji elementów formowanych na rolkach, takich jak wzmocnienia zderzaków, belki boczne drzwi i niektóre elementy konstrukcji siedzeń. Jednak GM, a następnie Ford i Chrysler chciały stali o wytrzymałości na rozciąganie 900 MPa, 1100 MPa, 1300 MPa, 1500 MPa, a wreszcie 1700 MPa. Dlatego dostosowaliśmy naszą działalność do potrzeb materiałowych klientów. Nasz najnowszy gatunek stali martenzytycznej 1700 MPa jest na przykład używany przez Shape Corporation do produkcji relingów dachowych samochodu Ford Explorer 2020.

Czy SSAB planuje wprowadzić do swojej oferty stale martenzytyczne o jeszcze większej wytrzymałości?

Moglibyśmy opracować formowaną na zimno stal martenzytyczną 1900 MPa, pod warunkiem wystarczającego zainteresowania ze strony klientów. Prowadzimy już rozmowy o 1900M z niektórymi klientami. Jednocześnie rozumiemy jednak, jak nasi klienci postrzegają ewolucję stali motoryzacyjnych AHSS. Oferowane przez nas obecnie gatunki stali martenzytycznej zostały opracowane kilka lat temu – może minąć trochę czasu, zanim normy OEM i normy regionalne, takie jak niemiecka Verband der Automobilindustrie (VDA) czy amerykańska Society of Automotive Engineers (SAE), zostaną opracowane dla każdego gatunku. Po ustaleniu normy dla danego gatunku, klienci zyskują dodatkowe zaufanie do jego użyteczności.

Jaki byłby główny powód, dla którego producenci OEM lub ich bezpośredni dostawcy chcieliby zamówić stal martenzytyczną 1900 MPa?

Siłą napędową jest oczywiście dalsze obniżenie masy komponentów. Jednak nie spodziewam się opracowania gatunku 1900M w ciągu najbliższych kilku lat, ponieważ 1700M dopiero się ugruntowuje – zarówno wśród klientów, jak i instytucji opracowujących normy branżowe. Obecnie duży nacisk kładzie się na 1500M, stali tradycyjnie formowanej na rolkach w celu uzyskania profili prostych lub zakrzywionych. 

Czy istnieją inne sposoby formowania komponentów motoryzacyjnych ze stali martenzytycznej 1500 MPa?

Tak. Japończycy – którzy bardziej koncentrują się na tłoczeniu na zimno niż na formowaniu na rolkach – wprowadzają nową technologię tłoczenia na zimno stali o wyższej wytrzymałości. Jest to duży krok do przodu. Zamiast prostych lub zakrzywionych profili wykonanych przez formowanie na rolkach, profil tłoczony na zimno może mieć dowolny trójwymiarowy kształt. Powiedziałbym, że wszyscy japońscy producenci samochodów OEM chcą wprowadzić komponenty tłoczone na zimno 1500 MPa do samochodów, które są obecnie opracowywane.

Jakiego rodzaju komponenty ze stali martenzytycznej można wytłaczać na zimno, ale nie można formować na rolkach?

Słupki drzwiowe na przykład mają kształt trudny do osiągnięcia w procesie formowania na rolkach. Wzmocnienie słupka zawiasów również ma zazwyczaj 3-wymiarową geometrię, którą można wytłoczyć na zimno, ale nie uformować na rolkach.

Czy SSAB musi wprowadzić jakieś adaptacje stali Docol 1500M, aby lepiej nadawała się do tłoczenia na zimno?

Tak, prawdopodobnie będzie to nieco zmodyfikowana wersja. W formowaniu na rolkach zaletą jest wyższa granica plastyczności w porównaniu z wytrzymałością na rozciąganie. Natomiast w przypadku tłoczenia na zimno nieco lepiej jest mieć niższą granicę plastyczności, aby kontrolować sprężynowanie zakrzywionej części kształtowanego elementu.

Tak więc SSAB musi w pełni rozumieć, w jaki sposób klient zamierza formować nasze stale.

Jasne. Dlatego zawsze zachęcamy klientów do zaangażowania nas na wczesnym etapie procesu projektowania, abyśmy mogli lepiej odpowiedzieć na ich obawy i zaspokoić ich potrzeby. Na przykład niektórzy producenci samochodów byli nieco konserwatywni w stosowaniu stali martenzytycznych – zwłaszcza ocynkowanej elektrolitycznie stali martenzytycznej – ze względu na obawy dotyczące opóźnionego pękania, które jest również znane jako kruchość wodorowa. SSAB ma naprawdę wyjątkową przewagę dzięki naszej ocynkowanej elektrolitycznie stali martenzytycznej. Zaczynamy od mniejszej liczby składników stali, a następnie bardzo precyzyjnie kontrolujemy proces cynkowania, aby zapobiec kruchości wodorowej. Nasza technologia jest bardzo bezpieczna i sprawdzona.

Jak stal martenzytyczna konkuruje z aluminium w projektowaniu samochodów?

Aluminium jest dość popularne wśród producentów OEM oferujących luksusowe samochody. Jednak nawet w takich przypadkach powszechne jest łączenie aluminium z zaawansowaną stalą o wysokiej wytrzymałości, jak stal martenzytyczna. Optymalna karoseria jest prawdopodobnie kombinacją aluminium w przypadku odsłoniętych paneli – które nie pochłaniają energii zderzenia – oraz jak najmocniejszej stali AHSS w przypadku komponentów pochłaniających energię zderzenia.

A co z samochodami innymi niż luksusowe, produkowanymi masowo?

Stal AHSS pozwala uzyskać w przybliżeniu taką samą masę jak aluminium za mniej niż połowę ceny. W modelach samochodów, w których kluczowy jest koszt, producenci OEM używają coraz więcej stali AHSS.

Czym różni się stal martenzytyczna Docol firmy SSAB od stali innych producentów?

Nasze wieloletnie doświadczenie w opracowywaniu i produkcji stali martenzytycznych pozwoliło nam udoskonalić technologie procesowe, osiągając między innymi najwyższą możliwą szybkość chłodzenia, co pozwala nam na użycie najmniejszej liczby stopów w składzie stali. Skład chemiczny stali martenzytycznych Docol jest znacznie prostszy niż u większości naszych konkurentów, dzięki czemu spawanie jest łatwiejsze i bardziej odporne na kruchość wodorową. Jak już wspomniałem, nasze ocynkowane gatunki stali martenzytycznej Docol są wysoko cenione za rozwiązanie problemu kruchości wodorowej. Ale SSAB ma również wielu wysoce wykwalifikowanych specjalistów w zakresie rozwoju produktów i KSC (Knowledge Service Center), aby pomóc klientom zrozumieć jak używać stali martenzytycznych. Na przykład, jak prowadzić symulacje formowania komponentów samochodowych. Albo jak łączyć elementy ze stali martenzytycznej.

W jaki sposób producenci OEM dostosowują swoje procesy technologiczne do pracy ze stalami martenzytycznymi?

Niektórzy producenci OEM, używający stali dwufazowych do 1000 MPa, przechodzą od razu do tłoczenia na gorąco w celu uzyskania wyższej wytrzymałości – teraz zaś wypróbowują tłoczenie na zimno stali martenzytycznych.

Nad czym jeszcze pracujecie w odniesieniu do stali martenzytycznych Docol?

Mówiliśmy już o wyższych poziomach wytrzymałości – ale innym sposobem na osiągnięcie ulepszeń jest zwiększenie grubości martenzytycznych gatunków stali. Obecnie nasza stal martenzytyczna walcowana na zimno ma maksymalną grubość 2,1 mm. Dzięki nowo zainstalowanej linii chłodzenia w naszej walcowni taśm na gorąco możemy również produkować stale martenzytyczne walcowane na gorąco, hartowane bezpośrednio w procesie walcowania na gorąco, osiągając grubości do 4 mm. Stal martenzytyczna Docol 4 mm 1200 MPa jest już dostępna dla klientów. W następnej kolejności pracować będziemy nad grubszą stalą walcowaną na gorąco 1500M.

W jaki sposób projektanci samochodów mogą wykorzystać nową, grubszą stal martenzytyczną Docol?

W pojazdach elektrycznych (BEV) akumulator i jego ochronna obudowa mogą ważyć do 800 kg. Dlatego pojazdy elektryczne wymagają mocniejszych słupków ochronnych. Pojazdy elektryczne można wzmocnić, zwiększając wytrzymałość używanej stali, zwiększając jej grubość, lub jedno i drugie.

Jakieś inne zastosowania dla grubszej stali martenzytycznej?

Wprowadzono pewne nowe, bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące kolizji, więc korzystne może być na przykład zastosowanie nowej, grubszej stali martenzytycznej na zderzaki. Jednak duża masa pojazdów elektrycznych jest głównym czynnikiem napędzającym zapotrzebowanie na grubsze gatunki stali martenzytycznej – wszystkie części samochodowe, które mogą mieć wpływ na efekt zderzenia, muszą zostać wzmocnione. W związku z tym niektóre projekty komponentów będą wymagać wyższych klas wytrzymałości (na rozciąganie) stali martenzytycznej przy istniejących grubościach, dochodzących do 2,1 mm. Inne projekty odniosą korzyści z zastosowania nowych, grubszych (do 4 mm) gatunków stali martenzytycznej dostępnych teraz przy wytrzymałości na rozciąganie 1200 MPa, a także grubszej stali 1500M, obecnie opracowywanej.