Dlaczego stal do hartowania w procesie tłoczenia to teraz „gorący temat” dla projektantów samochodów

W wywiadach z dwoma ekspertami SSAB ds. stali hartowanych w procesie tłoczenia pytamy między innymi o następujące kwestie:

• Gdzie producenci samochodów używają obecnie tłoczonych na gorąco stali borowych 1800 MPa i 2000 MPa w karoseriach.
• Swoboda projektowania, którą zapewniają obecne technologie produkcji PHS, w tym komponenty z „miękkim ogniwem”.
• Zalety (np. większa dokładność kształtu, złożona geometria części) i wady (koszt, energia, niska prędkość) tłoczenia na gorąco.
• Historia rozwoju stali Docol^® 2000 PHS.
• Porównanie stali UHSS: Stal hartowana w procesie tłoczenia a stal martenzytyczna.

Co możesz nam powiedzieć o nowej normie VDA dla stali hartowanej w procesie tłoczenia 1900 MPa?

To zupełnie nowa norma, ale producenci samochodów już wykorzystali ją do opracowania własnych norm OEM. Nazwa VDA dla nowego gatunku PHS to CR1900T-MB-DS, co odpowiada gatunkowi Docol^® PHS 2000 firmy SSAB, o wytrzymałości na rozciąganie do dwóch gigapaskali, czyli 2000 MPa.

To najmocniejsza stal dostępna na rynku – gdzie używają jej projektanci samochodów?

Istnieje wiele różnych możliwych zastosowań, ale jednym z najważniejszych jest ochrona akumulatorów w pojazdach elektrycznych, które nie mogą zostać naruszone – co jest szczególnie trudne w przypadku testu zderzenia bocznego. Dlatego producenci OEM będą używać stali PHS 2000 MPa w elementach zabezpieczających, takich jak belki poprzeczne w podłodze, pomiędzy bocznymi panelami progowymi, aby chronić akumulator pojazdu elektrycznego.

Czy uważasz, że nowa stal Docol^® PHS 2000 MPa nadaje się również do innych zastosowań, w których tradycyjnie używa się PHS 1500 MPa?

O tak, stale PHS 2000 – i PHS 1800 – są przeznaczone nie tylko dla pojazdów elektrycznych: przydadzą się również w samochodach z silnikiem spalinowym. Mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie projektanci potrzebują maksymalnej wytrzymałości stali lub zmniejszenia masy poprzez zastosowanie cieńszych ścianek.

Klasyczne zastosowanie stali borowej hartowanej w procesie tłoczenia w motoryzacji to słupki przednie (A) i drzwiowe (B) pojazdu. Ale stal PHS jest również stosowana w relingach dachowych, elementach ścian bocznych, belkach poprzecznych dachu i deski rozdzielczej, a także we wzmocnieniach drzwi, słupków przedniej szyby i podłóg. Obecne projekty tych części tłoczonych na gorąco mają zwykle bardzo złożone geometrie, do czego stale PHS nadają się doskonale.

Kolejną zaletą stosowania stali tłoczonych na gorąco jest to, że pojedyncza część może mieć różne poziomy wytrzymałości – więc zachowuje się w określony sposób podczas zderzenia, prawda?

Jasne. Matryca do tłoczenia na gorąco może być podzielona na segmenty, poddawane różnym procesom hartowania. Na przykład żeby utworzyć „miękkie ogniwo” PHS, nie hartuje się całej części. Osłonięta, niehartowana część będzie miała niższy poziom wytrzymałości, dzięki czemu może pochłonąć dużo energii podczas zderzenia. Zahartowany segment części, charakteryzujący się wyższą wytrzymałością na rozciąganie, wytrzyma duże siły. W ostatnich latach nastąpił duży rozwój „miękkich ogniw” PHS. Wprowadzono na przykład „miękkie ogniwa” w dolnej części słupka B samochodu.

Wykroje na miarę, tzw. tailor blanks, to kolejny sposób na uzyskanie „segmentowanego zachowania” w części PHS, prawda?

Tak. Wykroje TRB (tailor rolled blank) to taśma stalowa walcowana na zimno w taki sposób, żeby miała zmienną grubość. Można określić, na których odcinkach taśma ma być grubsza, a na których cieńsza, w oparciu o końcowe wymagania dotyczące danej części i jej oczekiwanych właściwości użytkowych.

Wykroje TWB (tailor welded blank) mogą być jeszcze bardziej zróżnicowane: można zespawać ze sobą taśmy PHS o różnej grubości, a nawet zespawać taśmę PHS z taśmą ze stali innej niż PHS.

Wszystkie te możliwości przypominają mi o tym, co nazywasz „swobodą projektowania” PHS.

Wyobraź sobie, że masz stal borową, którą podgrzewasz i wytłaczasz w temperaturze 900°C. W tej temperaturze można łatwo wytłoczyć PHS na gorąco w bardzo złożone kształty z głębokimi przekrojami. Dzięki takiej swobodzie projektowania projektanci samochodów mogą być bardziej kreatywni w zakresie swoich komponentów. Może oznacza to wykorzystanie wysokiej wytrzymałości PHS na rozciąganie do projektowania lżejszych części. Być może swoboda projektowania przekłada się na konsolidację kilku części w jedną. A może swoboda projektowania daje nam części, które lepiej sprawdzają się w testach zderzeniowych.

Części tłoczone na gorąco mogą mieć lepszą dokładność kształtu końcowego, prawda?

Standardowym argumentem przemawiającym za stosowaniem stali obrabianej w wysokiej temperaturze jest to, że sprężynowanie powrotne jest niewielkie lub nieobecne, co prowadzi do wyższej precyzji kształtu. To utkwiło w pamięci wielu ludzi, ponieważ wytrzymałość na rozciąganie AHSS staje się coraz wyższa, a co za tym idzie, sprężynowanie również może być większe.

Ale z drugiej strony coraz lepiej rozumiemy – i możemy coraz lepiej przewidywać i kontrolować – sprężynowanie w formowanych na zimno komponentach samochodowych, nawet przy użyciu stali gigapaskalowych.

Oczywiście wiele zależy od projektu części: zamiast zakładać, że musisz zapłacić więcej za użycie stali PHS, aby uniknąć sprężynowania, porozmawiaj ze swoim dostawcą AHSS na wczesnym etapie procesu projektowania. Wiele koncepcji projektowych, pod warunkiem wprowadzenia nieznacznych modyfikacji i zachowania odpowiedniej kolejności etapów produkcji, można z powodzeniem formować na zimno z bardzo wysoką precyzją kształtu końcowego.

Stal Docol^® PHS 2000 jest nietypowa, ponieważ została pierwotnie opracowana dla jednego klienta, prawda?

Tak. Zawsze ściśle współpracujemy z naszymi klientami. Ale w tym przypadku nasz klient, Gestamp, zwrócił się do nas z bardzo konkretną prośbą: „Czy możecie opracować stal do hartowania w procesie tłoczenia o wytrzymałości na rozciąganie 2000 megapaskali, ale o ciągliwości 22MnB5 (wytrzymałość na rozciąganie 1500 MPa)? Chcemy ją wykorzystać w naszej koncepcji lżejszego zderzaka.” Dostrzegliśmy, że stal 2000 MPa byłaby również wartościowym materiałem na inne elementy bezpieczeństwa, więc zgodziliśmy się.

A opracowanie stali do tłoczenia na gorąco wiąże się z wyjątkowymi wyzwaniami, prawda?

Tak jest. Jak wiadomo, w przypadku stali hartowanych w procesie tłoczenia wytwórca rozwija końcowe właściwości mechaniczne stali podczas jej podgrzewania, formowania, a następnie hartowania. W grę wchodzi wiele różnych czynników: Jak długo stal jest w piecu i w jakiej temperaturze? Jakie media chłodzące są używane w narzędziu? Jaka jest siła docisku między narzędziem a materiałem?

Wszystkie te procesy tłoczenia na gorąco producentów OEM i ich bezpośrednich dostawców są zastrzeżone – każdy z nich może inaczej przetwarzać stal PHS. Gestamp nawet nam nie udostępnia danych na temat swoich technologii tłoczenia na gorąco! (śmiech) A mimo to musieliśmy opracować stal PHS 2000, która sprawdzi się w zakładach wielu producentów samochodów. Było to więc dość duże wyzwanie.

Aby osiągnąć wymagany poziom plastyczności PHS 2000, firma SSAB musiała skupić się na składzie chemicznym stali i systemach obróbki stosowanych w naszych hutach. Na tym oraz na przekazaniu klientom zalecanej temperatury pieca i szybkości chłodzenia – minimalnej szybkości chłodzenia niezbędnej do uzyskania martenzytycznej mikrostruktury stali, a tym samym jej ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie.

Co zrobiła firma Gestamp?

Przetestowali nasze materiały w swoich narzędziach do hartowania w procesie tłoczenia. Ich opinie i testy były niezwykle cenne w miarę jak doskonaliliśmy stal PHS 2000. Tak bliska współpraca sprawiła, że zarówno oni, jak i my uczyliśmy się znacznie szybciej.

Jakie były efekty?

Zderzak Gestamp ze stali PHS 2000 jest o 17% lżejszy i efektywny kosztowo. Była to więc wygrana zarówno dla Gestamp, jak i SSAB.

Szybkie porównanie stali ultrawytrzymałych

	Stal do hartowania w procesie tłoczenia (PHS)	Stal martenzytyczna (MS)
Proces formowania części	Tłoczenie na gorąco	Tłoczenie na zimno
Najwyższa wytrzymałość na rozciąganie	2000 MPa	1700 MPa
Swoboda projektowania złożonych części (np. głębokie przekroje itp.)	Bardzo wysoka: w temperaturze 900°C, części można łatwo formować w złożone kształty	Złożone kształty mogą wymagać modyfikacji dla procesów tłoczenia na zimno
Sprężynowanie	Znacznie ograniczone lub wyeliminowane	Potrzeba przewidywania i kontrolowania
Ostateczna dokładność kształtu	Bardzo dobra	Bardzo dobra pod warunkiem poprawnego zarządzania sprężynowaniem
Narzędzia	Dużo droższe	Tańsze
Prędkość produkcji	Dużo wolniejsza	Dużo szybsza
Zużycie energii/ślad węglowy CO2 podczas formowania	Bardzo wysokie	Niższe
Całkowity koszt części	Wyższy	Niższe
Powszechność (% karoserii)	Rosnąca	Rosnąca