Stale motoryzacyjne 1500 i 1700 MPa do tłoczenia na zimno

Pojazdy elektryczne i 5-gwiazdkowe wyniki testów zderzeniowych prowadzą do mocniejszych stali

Jest jasne, że producenci OEM planują w coraz większym zakresie stosować stale AHSS/UHSS o wyższej wytrzymałości, aby spełnić cele przemysłu motoryzacyjnego dotyczące wysokowytrzymałych, lekkich konstrukcji nadwozia umożliwiających otrzymanie 5 gwiazdek w testach zderzeniowych. Szczególnie pojazdy elektryczne wymagają stosowania materiałów o większej wytrzymałości w nowy sposób, ze względu na konieczność przewożenia i ochrony ciężkich zestawów akumulatorów.

Od kilku lat stale 1,5 GPa są formowane na rolkach w celu wytwarzania stosunkowo prostych profili do nadwozi samochodów. Jednak obecnie systematyczne postępy technologii tłoczenia dają projektantom nadwozi i inżynierom produkcji możliwość tłoczenia na zimno stali 1,5 GPa w procesie produkcji umiarkowanie złożonych profili – zamiast polegać wyłącznie na tłoczeniu na gorąco.

Zalety formowania na zimo stali gigapaskalowych

Zalety formowania na zimno:

1. Do 28% taniej: Proces formowania na zimno jest znacznie tańszy niż formowanie na gorąco ze względu na znacznie wyższe koszty operacyjne tłoczenia na gorąco.
2. Znacznie mniejsze zużycie energii niż w przypadku tłoczenia na gorąco skutkuje zarówno niższymi kosztami energii, jak i niższym śladem CO₂.
3. Stale martenzytyczne są dostępne w szerszym zakresie właściwości mechanicznych niż stale do hartowania w procesie tłoczenia (PHS).
4. Formowane na zimno części ze stali martenzytycznej mają wyższą ostateczną jakość powierzchni niż części tłoczone na gorąco.
5. Części tłoczone na zimno nie wymagają dodatkowego czyszczenia (śrutowania).
6. Części tłoczone na zimno mogą być mechanicznie przebijane i przycinane, podczas gdy części hartowane w procesie tłoczenia wymagają droższych operacji laserowych, aby uniknąć kruchości wodorowej.
7. Stale martenzytyczne są dostępne z ochroną przed korozją katodową.
8. Gatunki stali martenzytycznej mają lepsze właściwości spawalnicze niż PHS ze względu na niższą zawartość węgla (Ceq lub C.E.).

Kwestie związane z formowaniem na zimno

1. Nie jest możliwe formowanie na zimno bardzo skomplikowanych kształtów.
2. Konieczne jest uwzględnienie sprężynowania i sposobów przeciwdziałania mu – ale Japończycy i inni udowadniają, że jest to możliwe: zobacz następny rozdział i „Radzenie sobie ze sprężynowaniem” poniżej.

Źródło: SSAB.

Wczesna przewaga Japonii w zakresie tłoczenia na zimno stali 1,5 GPa

– W porównaniu z resztą świata, japońscy producenci matryc lepiej rozwinęli swoje matryce i oprzyrządowanie, aby sprostać wyższym siłom wymaganym do obróbki stali 1500 MPa, przy jednoczesnej kontroli sprężynowania – zauważa Hiroshi Kondo, japoński konsultant ds. stali samochodowej od ponad 30 lat. – Wszyscy japońscy producenci OEM samochodów analizują obecnie stal 1500 MPa pod kątem tłoczenia na zimno.

– Tradycyjnie japońscy producenci OEM i ich bezpośredni dostawcy zawsze preferowali tłoczenie na zimno od formowania na rolkach i tłoczenia na gorąco – kontynuuje Kondo. – Jedną z zalet tłoczenia na zimno w porównaniu z formowaniem na rolkach jest fakt, że tłoczenie daje większą swobodę w zakresie geometrii części.

– Trzeba też wziąć pod uwagę wszystkie zalety tłoczenia na zimno w porównaniu z tłoczeniem na gorąco. Kluczowe znaczenie dla japońskich producentów samochodów ma niskie zużycie energii i krótki czas cyklu, a teraz oczywiście również mniejszy ślad CO₂; wszystko to sprawia, że tłoczenie na zimno jest bardziej atrakcyjne od tłoczenia na gorąco.

Które części samochodowe mogą być tłoczone na zimno ze stali 1,5 GPa?

W przypadku stosowania stali 1500M, potencjalnymi kandydatami do tłoczenia na zimno są boczne belki drzwiowe, belki zderzaków, belki poprzeczne i ich wzmocnienia.

– Większość paneli progowych, wzmocnienia paneli progowych, belki poprzeczne podłogi i niektóre belki dachowe można formować na rolkach – mówi Kenneth Olsson, specjalista ds. rozwoju działalności motoryzacyjnej w SSAB. – Jednak wielu części nie można formować na rolkach ze względu na ich kształt.

– Tłoczenie na gorąco, choć zawsze możliwe – kontynuuje Olsson – jest jednak droższe i wolniejsze, a jeśli ogrzewa się piece paliwami kopalnymi, co robi większość producentów, występuje problem emisji CO₂, które są sprzeczne z celami producentów OEM samochodów w zakresie zrównoważonego rozwoju. Dlatego tłoczenie na zimno stali 1500 MPa jest ekscytującym, stosunkowo nowym osiągnięciem.

Kenneth Olsson.

Imponujące wyniki prób tłoczenia na zimno stali 1,5 GPa i 1,7 GPa

Firma KIRCHHOFF Automotive z powodzeniem wykonała tłoczenie na zimno tego prototypu bocznej belki zderzeniowej przy użyciu gatunków stali Docol^® 1500M i 1700M. Górne zdjęcia przedstawiają uformowane części, a dolne zdjęcia przedstawiają części po próbie trójpunktowego zginania.

W przypadku niektórych części samochodowych większa wytrzymałość jest prosta

Ta boczna belka zderzeniowa, tłoczona na zimno ze stali Docol^® CR1150Y1400-MS-EG, została pomyślnie przetestowana w matrycy do produkcji seryjnej zaprojektowanej dla CR950Y1200T-MS-EG. Eksperci od formowania SSAB uważają, że tę część można z powodzeniem tłoczyć na zimno ze stali CR1220Y1500T-MS-EG.

Formowanie na zimno pozwala uniknąć pułapek związanych z kruchością wodorową

Po tłoczeniu na gorąco producenci muszą być bardzo ostrożni podczas operacji przycinania i otworowania, w przeciwnym razie mogą spowodować opóźnione pękanie. W związku z tym do otworowania i przycinania części tłoczonych na gorąco zwykle potrzebne są lasery – a urządzenia laserowe są bardziej skomplikowane i droższe niż konwencjonalne narzędzia mechaniczne.

W przypadku części formowanych na zimno, nawet wykonanych ze stali 1,5 GPa, tłoczarze mogą używać konwencjonalnych narzędzi mechanicznych do otworowania i przycinania bez ryzyka pękania wodorowego. Mechaniczne przycinanie i otworowanie w linii to znane, szybkie i ekonomiczne procesy stosowane w tłoczniach.

Radzenie sobie ze sprężynowaniem podczas tłoczenia na zimno stali ultrawytrzymałych

Dwie kluczowe zalety tłoczenia na gorąco to możliwość formowania bardzo skomplikowanych kształtów oraz eliminacja sprężynowania. Jednak japońskie tłocznie i inne firmy opracowały szereg strategii kontroli sprężynowania w częściach tłoczonych na zimno:

1. Symulacje: symulacje formowania pozwalają projektantom zoptymalizować geometrię części w celu kontrolowania sprężynowania i poprawić końcową dokładność elementów tłoczonych na zimno.
2. Optymalizacja: obejmuje stosowanie prostych linii gięcia i niestandardowych konfiguracji narożników (promieni).
3. Progi ciągowe: kształt i rozmieszczenie progów ciągowych w sposób dający lepszą kontrolę sprężynowania.
4. Geometria matryc: przejście od stali o niższej do wyższej granicy plastyczności, takiej jak CR1220Y1500T-MS, może wymagać pewnych zmian geometrii matrycy w celu skompensowania większego sprężynowania.
5. Narzędzia: ulepszone materiały narzędziowe, cechujące się większą wytrzymałością na ścieranie i wyposażone w powłoki, pomagają w radzeniu sobie z wyższymi siłami matrycy.

Co mówią inni eksperci o tłoczeniu na zimno stali UHSS

Stale martenzytyczne stanowią formowalną na zimno alternatywę dla formowanych na gorąco stali do hartowania w procesie tłoczenia, jak pisze World Auto Steel na swojej stronie internetowej poświęconej stali martenzytycznej.

Stosowanie tłoczenia na zimno pozwala na elastyczność w rozważaniu różnych strategii podczas obróbki stali na matrycach, co może skutkować zmniejszeniem sprężynowania lub wprowadzeniem cech części nieosiągalnych przy formowaniu na rolkach. Tłoczenie na zimno stali martenzytycznych nie ogranicza się do prostych kształtów o delikatnej krzywiźnie.

World Auto Steel pokazuje następnie zdjęcie środkowego słupka zewnętrznego, który został wytłoczony na zimno, z wytłoczką TWB ze stali CR1200Y1470T-MS w części górnej i dolną częścią ze stali CR320Y590T-DP. Dalej cytują:

Badanie, w którym ustalono istnienie korelacji między granicą plastyczności arkusza stali a odkształceniem w próbie trójpunktowego zginania części w kształcie kapelusza. W oparciu o porównanie granicy plastyczności… stal CR12001470T-MS ma podobne właściwości do tłoczonych na gorąco stali PHS-CR1800T-MB i PHS-CR1900T-MB o tej samej grubości i przewyższa często używaną stal PHS-CR1500T-MB. W związku z tym może istnieć możliwość obniżenia kosztów, a także potencjalnie masy elementów dzięki zastosowaniu tłoczenia na zimno, pod warunkiem użycia odpowiedniej konstrukcji prasy, procesu i matrycy.

Artykuł przedstawia tłoczone na zimno belki poprzeczne, w produkcji komercyjnej, wykonane ze stali martenzytycznej 1500 MPa:

Zmienna wysokość tej części, w połączeniu z niejednorodnym przekrojem poprzecznym na najbardziej zewnętrznych krawędziach, pomaga kontrolować sprężynowanie, ale sprawia, że formowanie na rolkach jest znacznie trudniejsze niż formowanie na zimno [zamiast procesu tłoczenia na zimno].

Artykuł kończy się przykładem formowanego na zimno środkowego wzmocnienia dachu 1500T-MS, które wykorzystuje opatentowany proces Stress Reverse Forming™ w celu zwiększenia dokładności wymiarowej poprzez zmniejszoną czułość sprężynowania.

Porównanie tłoczenia na zimno i tłoczenia na gorąco stali 1,5 GPa

Dokładność: Bez sprężynowania części hartowane w procesie tłoczenia mogą być bardzo precyzyjne. W przypadku tłoczenia na zimno, kompleksowe zarządzanie sprężynowaniem ma kluczowe znaczenie dla dokładności części.
Kształt części: Tłoczenie na gorąco jest idealne w przypadku bardzo skomplikowanych kształtów części – chociaż tłoczenie na zimno robi imponujące postępy pod względem złożoności części.
Czas cyklu: Tłoczenie na zimno jest znacznie szybsze niż hartowanie w procesie tłoczenia.
Zużycie energii: Tłoczenie na gorąco wymaga szybkiego nagrzewania (do 900°C) i szybkiego chłodzenia; w tłoczeniu na zimno jest to zbędne, co przekłada się na oszczędności kosztowe i obniżenie emisji.
Przycinanie/otworowanie: Części ze stali 1,5 GPa hartowanej w procesie tłoczenia wymagają przycinania i otworowania laserowego, żeby uniknąć pękania wodorowego. Natomiast części ze stali 1500 MPa tłoczonej na zimno można mechanicznie przycinać i otworować w linii.

Zdjęcia dzięki uprzejmości KIRCHHOFF Automotive.

Boczna belka zderzeniowa ze stali 1400M, z powodzeniem wytłoczona na zimno w matrycy zaprojektowanej dla stali 1200M.

Formowanie na rolkach: jeszcze większa siła

Podczas gdy tłoczenie na zimno części ze stali 1,5 GPa to stosunkowo nowy proces, formowanie na rolkach (na zimno) stali UHSS jest powszechne od wielu lat (w miejscach innych niż Japonia). Tymczasem projektanci i bezpośredni dostawcy producentów stosują coraz bardziej wyrafinowane procesy formowania na rolkach, przesuwając granice możliwych do osiągnięcia kształtów.

Na przykład firma Shape Corp. opracowała proces formowania na rolkach, a następnie gięcia 3D stali Docol^® CR1350Y1700-MS-UC, żeby uzyskać ten reling dachowy do seryjnej produkcji modeli Forda. Rezultatem jest lekki, ekonomiczny i energooszczędny element, który dzięki cieńszym ściankom zapewnia lepszą widoczność użytkownikom samochodu.

Formowanie na rolkach 3D: rozwiązanie szukające problemów?

Trójwymiarowe formowanie na rolkach zostało zasugerowane jako alternatywny sposób tworzenia nieco bardziej złożonych geometrii ze stali UHSS.

Eksperci SSAB ds. odporności zderzeniowej zaproponowali stosowanie stali 1700M formowanej na rolkach 3D do ochrony akumulatora w swojej koncepcji projektowej Docol^® EV. Projekt wykorzystuje formowane na rolkach 3D („faliste”) belki, tkane w siatkowy wzór, w celu uzyskania wyjątkowo wytrzymałej podstawy obudowy akumulatora pojazdu elektrycznego, która jest o połowę niższa niż konwencjonalna wysokość takich konstrukcji.

Niebieskie belki pod podłogą samochodu to „siatkowa” konstrukcja obudowy akumulatora. Krzyżowy wzór belek formowanych na rolkach 3D ze stali Docol 1700M dwukrotnie zmniejsza wysokość siatki.

Jak podatna na formowanie na zimno jest stal Docol^® CR1220Y1500T-MS?

Stal martenzytyczna Docol^® 1500 MPa charakteryzuje się lepszą możliwością formowania na zimno, o czym świadczą:

• Współczynnik głębokiego tłoczenia 2,0
• Typowy współczynnik rozszerzalności otworów to 40%
• Gwarantowane gięcie 4.0*t
• Gwarantowane formowanie na rolkach 3.5*t

Co dalej z formowaniem na zimno stali UHSS?

SSAB uważnie śledzi wprowadzanie i wdrażanie nowych technologii formowania na zimno, wiedząc, że wydajność formowania na zimno – z krótszym czasem sczepiania, prostszymi prasami i zmniejszonym zużyciem energii – dobrze wpisuje się w cele producentów samochodów dotyczące uproszczenia produkcji, obniżenia kosztów i zrównoważonego rozwoju.

Zachęcamy projektantów nadwozi do zaangażowania naszych ekspertów ds. formowania na wczesnym etapie opracowywania produktu w celu uzyskania najlepszych wyników. Skontaktuj się z najbliższym przedstawicielem Docol^®, żeby opisać cele i dążenia swojego projektu.