Автомобильная сталь для холодной штамповки с пределом текучести 1500 и 1700 МПа

Высокие требования к конструкции электромобилей и обеспечению безопасности при столкновении вынуждают использовать более прочную сталь

Перед автопроизводителями стоит задача обеспечить максимальную безопасность автомобилей при столкновении. Для этого они намерены увеличить прочность и уменьшить вес кузовных конструкций, что вынуждает их более широко использовать прогрессивную высокопрочную и сверхпрочную сталь. В частности, новые области применения высокопрочной стали возникают при разработке конструкции электромобиля, например, системы крепления и защиты тяжёлых аккумуляторных батарей.

На протяжении нескольких лет сталь с пределом текучести 1,5 ГПа обрабатывалась методом роликового профилирования, что позволяло создавать профиль менее сложной формы для производства кузовных компонентов. Однако теперь, благодаря технологическому прогрессу, инженеры и разработчики кузовных компонентов могут использовать холодную штамповку вместо горячих методов формования для изготовления профилей относительно сложной формы из стали с пределом текучести 1,5 ГПа.

Преимущества холодного формования для стали с прочностью, превосходящей 1000 МПа

Преимущества методов холодного формования

1. Экономия составляет до 28%. Из-за высоких эксплуатационных расходов при горячей штамповке процесс холодного формования более эффективен в экономическом плане.
2. Значительное уменьшение энергопотребления по сравнению с горячей штамповкой, что позволяет сократить как затраты, так и выбросы CO₂.
3. Мартенситная сталь обладает более широким диапазоном механических свойств по сравнению с закаляемой под прессом сталью.
4. Детали из холоднокатаной мартенситной стали отличаются более высоким качеством поверхности по сравнению с деталями, изготовленными методом горячей штамповки.
5. Для холодноштампованных деталей дополнительная (дробеструйная) очистка не требуется.
6. Холодноштампованные детали пригодны для механической пробивки и обрезки, тогда как для закалённых под прессом деталей, чтобы избежать водородное растрескивание, используется более дорогостоящая лазерная обработка.
7. Мартенситная сталь предлагается с катодной защитой от коррозии.
8. Благодаря меньшему содержанию углерода мартенситная сталь обладает лучшей свариваемостью по сравнению с закалённой под прессом сталью.

Аспекты, которые касаются холодного формования

1. Невозможно холодное формование компонентов чрезвычайно сложной формы.
2. Необходимо учитывать пружинение – японские и другие производители демонстрируют эффективное решение этой проблемы за счёт планирования: см. следующий раздел, а также раздел «Управление пружинением» ниже.

Источник: SSAB.

Японский производитель, среди первых внедривший метод холодной штамповки для стали 1,5 ГПа

«По сравнению с остальным миром японские производители сумели разработать штамповые матрицы и оснастку, чтобы выдерживать более высокие усилия, необходимые для стали с пределом прочности 1500 МПа, при этом контролируя пружинение, – отмечает Хироши Кондо, который более 30 лет работает в Японии консультантом по автомобильной стали. – Сейчас все японские автопроизводители оценивают пригодность стали с пределом текучести 1500 МПа для холодной штамповки.

Зачастую японские OEM производители и поставщики первого уровня предпочитают использовать холодную штамповку вместо горячего формования, – продолжает Хироши Кондо. – Одним из преимуществ холодной штамповки по сравнению с роликовым профилированием является бóльшая свобода в проектировании детали.

При этом, холодная штамповка обладает рядом преимуществ по отношению к методам горячего формования. Для японских автопроизводителей важными факторами являются низкое энергопотребление и короткое время производственного цикла, а с недавнего времени также минимальный уровень выбросов CO₂ – всё это выгодно отличает холодную штамповку от горячей».

Какие автомобильные компоненты можно изготовить методом холодной штамповки из стали с пределом текучести 1,5 ГПа?

В качестве потенциальных кандидатов для холодной штамповки из стали 1500М можно рассматривать усилители боковой двери, брусья бамперов, поперечные балки и их элементы усиления.

«Как правило, нижний молдинг и элементы его усиления, поперечины пола и некоторые балки крыши можно изготовить методом роликового профилирования, – говорит Кеннет Олссон, специалист SSAB по развитию деятельности в области автомобилестроения. – Однако для множества деталей более сложной формы этот метод производства не подходит.

Всегда возможна горячая штамповка компонентов, однако она медленнее, обходится дороже, и при сжигании в печи ископаемого топлива (как это делают большинство производителей) связана с высоким уровнем выбросов CO₂, что противоречит корпоративным целям устойчивого развития, – продолжает Кеннет Олссон. – Холодная штамповка является превосходным методом обработки стали с пределом текучести 1500 МПа, который был представлен относительно недавно».

Кеннет Олссон

Впечатляющие результаты испытаний холодноштампованной стали с пределом текучести 1,5 и 1,7 ГПа

Компания KIRCHHOFF Automotive успешно изготовила прототип усилителя боковой двери из стали Docol^® 1500M и 1700M методом холодной штамповки. На верхних фотографиях показаны формованные детали, а на нижних – детали после испытания на трёхточечный изгиб.

Повышение прочности представляет собой естественную эволюцию некоторых автомобильных деталей

Матрица, предназначенная для серийного производства деталей из стали CR950Y1200T-MS-EG, была успешно испытана на пригодность для холодной штамповки усилителей боковых дверей из стали Docol^® CR1150Y1400-MS-EG. Специалисты SSAB по формовке полагают, что деталь может быть успешно изготовлена методом холодной штамповки из стали CR1220Y1500T-MS-EG.

Холодное формование предотвращает возникновение проблем с водородным растрескиванием

Выполняя горячую штамповку компонентов, необходимо уделять особое внимание последующей резке и пробивке, которые могут привести к замедленному разрушению. По этой причине для горячештампованных деталей зачастую используется лазерная резка, при этом лазерное оборудование сложнее в эксплуатации и имеет более высокую стоимость по сравнению с традиционным механическим инструментом.

После холодного формования для резки и пробивки может применяться традиционный механической инструмент без риска замедленного разрушения материала, даже при использовании стали с пределом текучести 1,5 ГПа. Механическая резка и пробивка – быстрый и экономичный процесс, хорошо известный на формовочном производстве.

Управление пружинением при холодной штамповке сверхпрочных сталей

Двумя ключевыми преимуществами горячей штамповки являются пригодность для производства компонентов сложной формы и отсутствие пружинения. Однако японские и другие производители разработали несколько стратегий для контроля пружинения холодноштампованных деталей.

1. Моделирование: моделирование производственного процесса позволяет инженерам оптимизировать геометрию детали, чтобы обеспечить контроль пружинения и повысить конечную точность холодной штамповки.
2. Оптимизация: включает использование прямых линий гиба и проектирование конфигурации (радиуса) углов.
3. Наплавка: выбор формы и расположения валиков наплавки для улучшенного контроля пружинения.
4. Геометрия матрицы: переход от стали с низким к стали с более высоким пределом текучести, такой как CR1220Y1500T-MS, может потребовать внесения изменений в геометрию матрицы для компенсации более высокого пружинения.
5. Оснастка: использование оснастки из высококачественного материала, который отличается износостойкостью, улучшенным покрытием и способен выдержать высокие нагрузки.

Что другие эксперты говорят о холодной штамповке сверхпрочной стали

Как сообщается на веб-сайте организации World Auto Steel, холодноформуемая мартенситная сталь представляет собой альтернативу горячекатаной закаляемой под прессом стали.

При использовании холодной штамповки можно применять различные стратегии обработки штампов, что помогает уменьшить пружинение и создать элементы, которые невозможно получить путём роликового профилирования. Холодная штамповка мартенситной стали не ограничивается простыми формами и плавными изгибами.

Организация World Auto Steel представила фотографию центральной наружной стойки, изготовленной методом холодной штамповки, с приваренными компонентами из стали CR1200Y1470T-MS в верхней части и CR320Y590T-DP в нижней части. Приведена следующая информация:

В исследовании была отмечена зависимость между пределом текучести листовой стали и 3-точечной изгибной деформацией шляповидных компонентов. Основываясь на сравнении предела текучести...CR12001470T-MS имеет характеристики, схожие с показателями горячештампованной стали PHS-CR1800T-MB и PHS-CR1900T-MB одинаковой толщины и превосходит показатели часто используемой стали PHS-CR1500T-MB. Таким образом, за счёт использования метода холодной штамповки можно добиться снижения затрат и веса при условии применения соответствующего пресса, матрицы и технологического процесса.

В данной статье представлены также усиления поперечин, изготовленные в промышленном масштабе методом холодной штамповки из мартенситной стали с пределом текучести 1500 МПа.

Непостоянная высота детали в сочетании с неравномерным поперечным сечением по краям помогает контролировать пружинение, однако в случае холодного формования усложняет применение роликового профилирования [вместо холодной штамповки].

В завершение в статье приведён пример холодноформованного центрального элемента усиления крыши, изготовленного из стали 1500T-MS с использованием запатентованного процесса формования с изменением направления напряжений Stress Reverse Forming™, который способен обеспечить высокую точность размеров за счёт снижения восприимчивости детали к пружинению.

Сравнение методов холодной и горячей штамповки стали с пределом текучести 1,5 ГПа

Точность – Пружинение отсутствует, можно добиться высокой точности закалённых под прессом деталей. При холодной штамповке требуется комплексное управление пружинением для обеспечения высокой точности деталей.
Форма детали – Горячая штамповка прекрасно подходит для производства деталей чрезвычайно сложной формы, вместе с тем впечатляет развитие методов холодной штамповки.
Продолжительность рабочих операций – Холодная штамповка занимает гораздо меньше времени, чем закалка под прессом.
Энергопотребление – Для горячей штамповки требуются быстрый нагрев (до 900°C) и быстрое охлаждение. Для холодной штамповки эти процессы не требуются, что позволяет экономить средства и уменьшить уровень выбросов.
Пробивка и обрезка – Чтобы не допустить водородного растрескивания, используется лазерная обработка закалённых под прессом деталей из стали с пределом текучести 1,5 ГПа. С другой стороны, резка и пробивка деталей, изготовленных методом холодной штамповки из стали подобной твёрдости, могут быть выполнены механическим инструментом.

Фото предоставлены компанией KIRCHHOFF Automotive.

Для холодной штамповки усилителей боковой двери из стали 1400M успешно используется оснастка, предназначенная для стали 1200M.

Роликовое профилирование: метод обработки с растущей популярностью

Холодная штамповка деталей из стали с прочностью 1,5 ГПа является относительно новым методом обработки, вместе с тем (холодное) роликовое профилирование сверхпрочной стали широко используется на протяжении многих лет во всех регионах, за исключением Японии. Развитие технологии роликового профилирования открывает перед проектировщиками и поставщиками компонентов новые возможности в производстве деталей сложной формы.

Так, инженеры Shape Corp. решили использовать роликовое профилирование с последующей трёхмерной гибкой стали Docol^® CR1350Y1700-MS-UC в серийном производстве рейлингов для автомобилей Ford. В результате был получен лёгкий, экономичный и энергоэффективный компонент с более тонкими стенками, который обеспечивает улучшенную видимость для пассажиров.

Трёхмерное роликовое профилирование: решение для актуальных задач?

Трёхмерное роликовое профилирование предлагается в качестве альтернативы для изготовления изделий сложной геометрии из сверхпрочной стали.

На платформе Docol^® EV Design Concept эксперты SSAB по обеспечению безопасности при столкновении предложили использовать трёхмерное роликовое профилирование стали 1700M для производства элементов защиты аккумуляторов электромобиля. В этом проекте используются «волнистые» балки, изготовленные методом трёхмерного роликового профилирования, которые формируют сетчатую структуру исключительно прочного основания аккумуляторной батареи электромобиля, которое отличается от стандартных конструкций вдвое меньшей высотой.

Синие балки под полом автомобиля формируют сетчатую конструкцию корпуса батареи. Благодаря поперечному расположению балок, изготовленных из стали Docol 1700M методом трёхмерного роликового профилирования, высота конструкции уменьшается в два раза.

Насколько пригодна сталь Docol^® CR1220Y1500T-MS для холодного формования?

Мартенситная сталь Docol^® с пределом текучести 1500 МПа отличается улучшенными характеристиками холодного формования, о чём свидетельствуют:

• высокий коэффициент глубокой вытяжки (2,0);
• высокий коэффициент расширения отверстий (типичное значение составляет 40%);
• гарантированный радиус гибки (4 толщины листа);
• гарантированный радиус роликового профилирования (3,5 толщины листа)

Перспективы холодного формования сверхпрочной стали

Специалисты SSAB внимательно следят за внедрением и использованием новых технологий холодного формования, понимая, что этот метод обработки – за счёт сокращения продолжительности процесса, применения менее сложной оснастки и снижения энергопотребления – хорошо согласуется с целями автопроизводителей по упрощению производства, снижению затрат и бережному отношению к окружающей среде.

Для достижения наилучших результатов мы призываем дизайнеров кузовных компонентов привлекать наших экспертов по формовке на ранних этапах разработки продукции. Свяжитесь с местным поставщиком стали Docol^®, чтобы поделиться задачами и целями проекта.