Hur framtiden ser ut för martensitiskt AHSS inom fordonsindustrin

I vår intervju med Kenneth Olsson, en 40-årig veteran inom stålindustrin, tar vi upp följande:

• Batteridrivna elfordon som incitament för tjockare (upp till 4 mm) martensitiska stålsorter.
• Nya kallpressningsmetoder (istället för rullformning) som möjliggör komponentkonstruktioner med 3D-geometrier tillverkade i martensitiskt 1500 MPa-stål.
• Hur biltillverkare i allt högre grad använder kallformning av martensitiskt stål i tillämpningar istället för presshärdningsstål och höghållfast tvåfasstål.
• Finns det tillräcklig efterfrågan nu för att utveckla ett martensitiskt 1900 MPa-stål?

Kenneth Olsson har arbetat på SSAB i 35 år, varav 10 år inom produktutveckling av martensitiska stål och andra AHSS. Kenneth är för närvarande SSABs specialist på affärsutveckling inom fordonsindustrin.

Hur lyckades SSAB bli först i Europa med att erbjuda biltillverkare martensitiskt avancerat höghållfast stål (AHSS)?

Eftersom vi var den första europeiska ståltillverkaren som investerade i en kontinuerlig glödgningslinje. Vi bestämde oss för att använda japansk glödgningsteknik, som då låg i framkant. Tack vare vattenhärdning har vår kontinuerliga glödgningslinje mycket hög kylningshastighet och kan utan problem tillverka martensitiska stål. Under många år var vi den enda anläggningen i Europa som kunde utveckla och producera dessa stålsorter. Vi är verkligen martensitiska pionjärer.

Hur reagerade biltillverkarna på det nya martensitiska stålet?

Marknaden var mycket tveksam eftersom stålet var så nytt. För martensitiskt stål fanns det bara en amerikansk producent förutom SSAB. Det var allt. Det första användningsområdet för SSABs martensitiska stål var mycket slitstarka transportband som används av exempelvis kaktillverkare. Sedan användes det som tåhätta i skyddsskor.

Tåhättor och kaktransportörer?

Ja, till en början. Men sedan startade ett 30-tal internationella stålproducenter ett samarbete med målet att göra bilar lättare och säkrare. Ultralight Steel Auto Body, ULSAB, var ett projekt som verkligen främjade användningen av AHSS i bilar, inklusive martensitiskt stål. Vi visade hur martensitiskt stål kunde förbättra bilarnas krockprestanda, minska vikten och vara ett mycket kostnadseffektivt material.

Var några biltillverkare tveksamma att använda martensitiskt för att de var osäkra på formbarheten?

Ja. Den första martensitiska stålsorten från SSAB hade en brottgräns på 1400 megapascal (MPa) och en sträckgräns på 1150 MPa. SSAB har egentligen två olika uppgifter vad gäller avancerade höghållfasta stål: först måste vi räkna ut hur vi kan tillverka dessa starka, lätta stål och sedan måste vi utbilda våra konsumenter – fordonstillverkare och tier 1-leverantörer – i hur man simulerar AHSS-konstruktioner och sedan formar och fogar samman dem.

Vad var biltillverkarna osäkra på när det gällde sammanfogning av martensitiskt stål?

Martensitiskt Docol® stål är faktiskt mycket låglegerat, men innehåller ändå en del legeringar och kol. Så man måste ställa in sina svetsparametrar därefter. Och man måste exempelvis förstå hur man kan uppnår duktila punktsvetsar med martensitiskt stål. Martensitiskt Docol stål konkurrerar i viss utsträckning med presshärdningsstål (PHS), även kallade varmpressade stål, som också har ultrahög hållfasthet (UHSS). Men PHS har en högre halt legeringar och kol, så det är mer komplicerat att svetsa än martensitiskt Docol stål.

SSAB fattade ett medvetet beslut att fokusera på martensitiskt kallformningsstål, eller hur?

Ja. Men SSAB erbjuder förstås även PHS. Vissa biltillverkare är mer bekväma med varmpressning, så vi ger dem gärna det de vill ha. Men PHS måste värmas upp till 900 °C i presslinjen eller i en ugn före presslinjen. Och när stålet varmpressats måste delen härdas i pressverktyget. PHS kräver alltså en mer komplicerad, långsammare, dyrare och mer energikrävande process än kallformning av martensitiska komponenter för att uppnå liknande höghållfasta egenskaper.

Varför föredrar vissa biltillverkare varmpressning före kallpressning?

När PHS har en temperatur på 900  C är det mycket mjukt och därför mycket lätt att forma. Det får sin martensitiska mikrostruktur under presshärdningen. SSAB anser å andra sidan att det finns fördelar med att vi utför värmebehandlingen på våra noggrant kontrollerade anläggningar. Sedan skickar vi värmebehandlade martensitiska coils till kunden som de bara behöver kallpressa i rumstemperatur. Det innebär färre bearbetningssteg för kunden. Men precis som alla höghållfasta stål kräver martensitiskt kallformningsstål att du förstår och planerar för återfjädring – vilket vi kan hjälpa kunden med.

Om vi ser tillbaka ett ögonblick så lanserade SSAB sin första martensitiska 1400 MPa-stålsort 1993. Hur bestämde sig SSAB för att utöka det martensitiska sortimentet till andra hållfasthetsklasser?

SSAB följde upp 1400M med 1200M. I USA låg General Motors steget före andra biltillverkare när det gällde användning av martensitiskt stål i rullformade komponenter som stötfångarförstärkningar, sidokrockbalkar och vissa delar i sätesramar. Men GM, och därefter Ford och Chrysler, ville ha en brottgräns på 900, 1100, 1300, 1500 och slutligen 1700 MPa. Därför anpassade SSAB sin verksamhet till kundernas materialbehov. Vår senaste stålsort, den martensitiska stålsorten på 1700 MPa, används till exempel av Shape Corporation för att tillverka takrelingen till 2020 års Ford Explorer.

Finns det några planer på ännu starkare martensitiska stålsorter?

Vi skulle kunna utveckla ett kallformningsbart martensitiskt 1900 MPa-stål, men det måste finnas tillräckligt kundintresse. Vissa kunder diskuterar redan 1900M med oss. Men vi förstår också hur våra kunder ser på utvecklingen av AHSS inom fordonsindustrin. Våra nuvarande martensitiska stålsorter utvecklades för flera år sedan – det kan ta lite tid för OEM-standarder och regionala standarder, som tyska Verband der Automobilindustrie (VDA) och American Society of Automotive Engineers (SAE), att etableras för varje stålsort. Men när standarderna slutligen fastställs för en stålsort får kunderna ytterligare förtroende för dess användbarhet.

Vad är den viktigaste drivkraften för biltillverkare eller tier 1-leverantörer som vill ha ett martensitiskt 1900 MPa-stål?

Drivkraften är naturligtvis ännu lägre vikt. Men jag räknar inte med att 1900M kommer att lanseras under de närmaste åren eftersom 1700M fortfarande håller på att etableras – både hos kunderna och standardiseringsorganen. För närvarande ligger stort fokus på 1500M, som traditionellt har rullformats för antingen raka eller böjda profiler. 

Finns det andra sätt att forma bilkomponenter av martensitiskt 1500 MPa-stål?

Ja. Japanerna – som brukar fokusera mer på kallpressning än rullformning – introducerar en ny kallpressningsteknik för höghållfasta stål. Det är ett stort framsteg. Utöver de raka och böjda profiler som framställs med rullformning kan man med kallpressning tillverka mer komplexa tredimensionella profiler. Jag skulle tro att alla japanska biltillverkare försöker införa kallpressade komponenter på 1500 MPa i de bilar som är under utveckling just nu.

Vilken typ av martensitiska komponenter kan tillverkas genom kallpressning men inte genom rullformning?

B-stolpens förstärkning har till exempel en form som är svår att rullforma. Och förstärkningen av gångjärnsstolparna har vanligtvis en 3D-geometri som kan kallpressas men inte rullformas.

Behöver SSAB anpassa Docol 1500M för att göra det mer kompatibelt med kallpressning?

Ja, vi kommer troligen att ta fram en något modifierad version. Vid rullformning är det en fördel att ha högre sträckgräns än brottgräns. Vid kallpressning är det bättre att ha en lägre sträckgräns för att kontrollera återfjädringen i den böjda delen av den formade komponenten.

Så SSAB måste verkligen förstå hur kunden tänker forma våra stål.

Det stämmer. Därför uppmuntrar vi alltid våra kunder att involvera oss tidigt i konstruktionsprocessen, så att vi bättre kan angripa deras problem och uppfylla deras behov. Vissa biltillverkare har till exempel varit lite konservativa i sin användning av martensitiska stål – särskilt elektrogalvaniserat martensitiskt stål på grund av oro för fördröjda brott, så kallad väteförsprödning. SSAB har verkligen en unik fördel med sitt elektrogalvaniserade martensitiska stål. Vi börjar med en mer låglegerad stålsammansättning och kontrollerar sedan galvaniseringsprocessen mycket noggrant för att förebygga fördröjd sprickbildning. Vår teknik är mycket säker och etablerad.

Hur står sig martensitiskt stål i konkurrensen med aluminium inom bilkonstruktion?

Aluminium har varit mycket populärt bland tillverkare av lyxbilar. Men även där ser man oftast en kombination av aluminium och avancerat höghållfast stål, som martensitiskt. Som jag ser det består den optimala karossen förmodligen av en kombination av aluminium i de synliga panelerna – som inte absorberar krockenergi – och starkast möjliga AHSS i de krock- och energiabsorberande komponenterna.

Hur ser det ut utanför lyxklassen – med massproducerade bilar?

Med AHSS kan du uppnå ungefär samma vikt som med aluminium men till mindre än halva kostnaden. På bilmodeller där kostnaderna är avgörande använder tillverkarna allt mer AHSS för varje modell.

Hur skiljer sig SSABs martensitiska Docol från andra producenters?

Vår långa erfarenhet av att utveckla och producera martensitiska stål har gjort att vi kunnat förfina vår processteknik, med bland annat högsta möjliga kylningshastighet, vilket gör att vi kan använda den mest låglegerade sammansättningen. Våra martensitiska Docol stål är mycket mer låglegerade än de flesta av våra konkurrenters, vilket gör det mer lättsvetsat och motståndskraftigt mot fördröjda brott. Som jag redan nämnt har våra zinkbelagda martensitiska Docol stål mycket gott anseende när det gäller att angripa problemet med fördröjda brott. Men SSAB har även många mycket skickliga specialister inom produktutveckling och på vårt KSC (Knowledge Service Center) som kan hjälpa kunderna att förstå hur man använder martensitiska stål. Till exempel hur man utför formningssimuleringar av bilkomponenter. Eller hur man sammanfogar martensitiskt stål.

Hur utvecklar biltillverkarna sina tillverkningsprocesser så att de fungerar med martensitiska stål?

Vi har några biltillverkare som använde tvåfasstål upp till 1000 MPa och som övergick till varmpressning för högre hållfasthet – men de provar nu kallpressning av martensitiska stål.

Vad mer är under utveckling inom martensitiskt Docol stål?

Vi pratade redan om högre hållfasthetsnivåer – men ett annat sätt att uppnå förbättringar är att göra de martensitiska stålsorterna tjockare. Vårt befintliga kallvalsade och kontinuerligt glödgade martensitiska stål har en största tjocklek på 2,1 mm. Med vår nyinstallerade kylsträcka i varmvalsverket kan vi även producera varmvalsade martensitiska stål som härdas direkt i varmvalsningsprocessen och når tjocklekar på upp till 4 mm. 4 mm martensitiskt 1200 MPa Docol stål är nu tillgängligt för kunder. Och vi utvecklar även en tjockare varmvalsad 1500 MPa sort.

Hur kan bilkonstruktörer använda det nya, tjockare martensitiska Docol stålet?

I batteridrivna elfordon kan batteri och skyddshölje väga upp till 800 kg. Därför behöver elfordon starkare skyddsbalkar. Man kan göra elfordon starkare genom att öka hållfastheten för det stål som används, eller genom att öka ståltjockleken, eller både och.

Finns det andra tillämpningar för tjockare martensitiskt stål?

Det finns också nya, strängare krockbestämmelser, så det kan vara en fördel att använda det nya, tjockare martensitiska stålet i stötfångare till exempel. Men den tunga vikten hos elfordon är den främsta drivkraften för tjockare martensitiska stålsorter – alla deras delar relaterade till krocksäkerhet måste göras starkare. Vissa komponentkonstruktioner kommer därför att kräva martensitiskt stål med högre (drag)hållfasthet i våra befintliga tjocklekar, upp till 2,1 mm. Andra konstruktioner kan dra nytta av de nya, tjockare (upp till 4 mm) martensitiska stålsorterna som för närvarande finns med en brottgräns på 1200 MPa, samt de tjockare 1500M-varianterna som för närvarande är under utveckling.