Kallpressning av 1500 och 1700 MPa fordonsstål

Elbilar och 5-stjärniga krockprestanda driver fram starkare stål

För att uppfylla bilindustrins mål att skapa höghållfasta, lätta karosskonstruktioner som möjliggör 5-stjärniga krockprestanda är det uppenbart att biltillverkarna planerar att öka användningen av höghållfast AHSS/UHSS ytterligare. I synnerhet elfordon kräver användning av mer höghållfasta material på nya sätt, särskilt för att bära upp och skydda det tunga batteripaketet.

Under flera år har 1,5 GPa-stål rullformats för att skapa relativt enkla profiler för karosstillämpningar. Systematiska framsteg inom pressningsteknik ger nu karosskonstruktörer och produktionsingenjörer möjlighet att kallpressa 1,5 GPa-stål även för måttligt komplexa profiler – istället för att enbart förlita sig på varmpressning

Fördelar med kallformning för gigapascalstål

Fördelar med kallformning:

1. Upp till 28 procent billigare: Kallformning är klart billigare än varmformning på grund av varmpressningens betydligt högre driftskostnader.
2. Avsevärt lägre energiförbrukning jämfört med varmpressning leder till både lägre energikostnader och mindre koldioxidavtryck.
3. Martensitiska stål finns i ett bredare utbud av mekaniska egenskaper än presshärdningsstål (PHS).
4. Kallformade martensitiska delar har bättre slutlig ytkvalitet än varmpressade delar.
5. Ingen ytterligare rengöring (blästring) krävs för kallpressade delar.
6. Kallpressade delar kan perforeras och trimmas mekaniskt, medan presshärdade delar kräver dyrare laseroperationer för att undvika väteförsprödning.
7. Martensitiska stål finns med katodiskt korrosionsskydd.
8. Martensitiska stålsorter har bättre svetsegenskaper än presshärdningsstål på grund av sin lägre kolekvivalent (Ceq eller CE).

Överväganden vid kallformning

1. Det går inte att kallforma mycket komplexa former.
2. Återfjädring och sätt att motverka detta måste planeras – men japanerna visar att detta är möjligt: se nästa avsnitt och Hantera återfjädring nedan.

Källa: SSAB.

Japans tidiga tätposition inom kallpressning av 1,5 GPa-stål

”Jämfört med övriga världen har de japanska dyntillverkarna utvecklat sina pressdynor och verktyg för att bättre motstå de högre krafter som krävs för 1500 MPa-stål, samtidigt som de kontrollerar återfjädringen”, säger Hiroshi Kondo, japansk konsult inom fordonsstål i över 30 år. ”Alla japanska biltillverkare utvärderar nu 1500 megapascalstål för kallpressning.”

”Traditionellt har japanska biltillverkare och deras underleverantörer alltid känt sig mer bekväma med kallpressning jämfört med rullformning eller varmpressning”, fortsätter Hiroshi Kondo. ”En fördel med kallpressning jämfört med rullformning är att pressning ger dig större frihet att utforma delens geometri.”

”Sedan tillkommer alla övriga fördelar med kallpressning jämfört med varmpressning. Av central betydelse för de japanska biltillverkarna är låg energiförbrukning och kort cykeltid – och numera även minskat koldioxidavtryck – där kallpressning vinner på alla punkter jämfört med varmpressning.”

Vilka fordonskomponenter kan kallpressas med 1,5 GPa-stål?

Tänkbara tillämpningar som kan kallpressas med 1500M-stål är sidokrockbalkar, stötfångarbalkar, tvärbalkar och deras förstärkningar.

”De flesta tröskelbalkar, tröskelförstärkningar, golvtvärbalkar och vissa takbalkar kan rullformas”, säger Kenneth Olsson, affärsutvecklingsspecialist inom fordon på SSAB. ”Men det finns många delar som på grund av sin form inte kan rullformas.”

”Även om varmpressning alltid är ett alternativ”, fortsätter Kenneth Olsson, ”är det dyrare och tar längre tid, och om man värmer upp sina ugnar med fossila bränslen – vilket de flesta tillverkare gör – genererar detta koldioxidutsläpp som motverkar biltillverkarnas hållbarhetsmål. Kallpressning av stål med en brottgräns på 1500 MPa är alltså en spännande, relativt ny trend.”

Kenneth Olsson.

Imponerande testresultat vid kallpressning av 1,5 GPa- och 1,7 GPa-stål

KIRCHHOFF Automotive har framgångsrikt kallpressat denna prototyp av en sidokrockbalk med Docol^® 1500M och 1700M. De övre bilderna visar de formade delarna, medan de nedre bilderna visar delarna efter ett trepunktsböjningsprov.

För vissa bildelar är det lätt att uppgradera till stål med högre hållfasthet

Denna kallpressade sidokrockbalk av Docol^® CR1150Y1400-MS-EG testtillverkades framgångsrikt i en pressdyna avsedd för CR950Y1200T-MS-EG. SSABs formningsexperter tror att delen framgångsrikt kan kallpressas med CR1220Y1500T-MS-EG.

Kallformning förhindrar problem med väteförsprödning

Efter varmpressning måste tillverkarna vara extremt försiktiga med trimning och perforering, annars kan de orsaka fördröjda brott. Därför behövs ofta laser för perforering eller trimning av varmpressade delar – och dessa lasrar är mer komplicerade och dyrare än konventionella mekaniska verktyg.

Vid kallformning kan operatörerna använda konventionella mekaniska perforerings- och trimningsverktyg utan risk för fördröjda brott, även med 1,5 GPa-stål. Och mekanisk trimning och perforering i produktionslinjen är välbekanta, snabba och kostnadseffektiva processer för operatörerna.

Hantering av återfjädring vid kallpressning av ultrahöghållfast stål

De två huvudfördelarna med varmpressning är möjligheten att skapa mycket komplexa former och att eliminera återfjädring. Men japanska pressoperatörer och andra har utvecklat en serie strategier för att kontrollera återfjädringen i kallpressade delar:

1. Simuleringar: formningssimuleringar gör det möjligt för konstruktörer att optimera delens geometri för att kontrollera återfjädring och förbättra de kallpressade komponenternas slutliga noggrannhet.
2. Optimering: omfattar användning av raka bockningslinjer och specialutformade hörn (radier).
3. Vulster: form och placering av dragvulster för bättre kontroll av återfjädring.
4. Dyngeometri: att gå från ett stål med lägre till högre sträckgräns, som CR1220Y1500T-MS, kan kräva vissa förändringar av dynans geometri för att kompensera för ökad återfjädring.
5. Verktyg: bättre verktygsmaterial, bland annat avseende slittålighet och beläggningar, för att hantera de högre dynkrafterna.

Vad andra experter säger om kallpressning av UHSS

Martensitiska stål är ett kallformbart alternativ till varmformning med presshärdningsstål, som World Auto Steel skriver på sin webbsida om martensit.

Genom att använda kallpressning får man flexibilitet att överväga olika strategier vid utformningen av pressdynan, vilket kan leda till minskad återfjädring eller göra det möjligt att integrera detaljer som inte kan uppnås med rullformning. Kallpressning av martensitiska stål är inte begränsad till enklare former med mjuka kurvor.

World Auto Steel visar ett foto på en B-stolpe som kallpressats, med ett skräddarsytt svetsat ämne av CR1200Y1470T-MS som övre del och en nedre del av CR320Y590T-DP. Därefter citerar de:

En studie som fastställde att det fanns ett samband mellan stålplåtens sträckgräns och deformationen vid trepunktsböjning av hattformade profiler. Baserat på en jämförelse av sträckgräns ...CR12001470T-MS har liknande prestanda som varmpressade PHS-CR1800T-MB och PHS-CR1900T-MB med samma tjocklek och bättre prestanda än den vanligt förekommande stålsorten PHS-CR1500T-MB. Därmed kan det finnas potential att minska kostnaderna och även vikten med hjälp av kallpressning, förutsatt att lämpligt utformade pressar, processer och pressdynor används.

Artikeln visar sedan en kallpressad tvärbalksförstärkning, som tillverkas kommersiellt, i martensitiskt 1500 MPa-stål:

Delens varierande höjd i kombination med ett olikformigt tvärsnitt i de yttersta kanterna bidrar till att kontrollera återfjädringen, men försvårar avsevärt rullformning om man överväger denna som kallformningsmetod [i stället för kallpressning].

Artikeln avslutas med ett exempel på en kallformad mittre takförstärkning i 1500T-MS som framställts med den patenterade processen Stress Reverse Forming™ för förbättrad måttnoggrannhet genom minskad återfjädringskänslighet.

Jämförelse mellan kallpressning och varmpressning av 1,5 GPa-stål

Noggrannhet: Avsaknaden av återfjädring gör att presshärdade delar kan tillverkas med stor noggrannhet. Vid kallpressning är omfattande återfjädringshantering avgörande för delarnas noggrannhet.
Delens form: Varmpressning är idealisk för mycket komplexa delar – även om imponerande framsteg görs inom kallpressning av komplexa delar.
Cykeltid: Kallpressning är mycket, mycket snabbare än presshärdning.
Energiåtgång: Varmpressning kräver snabb uppvärmning (till 900 °C) och snabb avkylning. Kallpressning ställer inte dessa krav, vilket sparar pengar och minskar utsläppen.
Trimning/perforering: Delar av 1,5 GPa PHS-stål måste trimmas och perforeras med laser för att undvika väteförsprödning. Å andra sidan kan kallpressade delar av 1500 MPa-stål klippas och perforeras mekaniskt i produktionslinjen.

Foton med tillstånd av KIRCHHOFF Automotive.

1400M sidokrockbalk, framgångsrikt kallpressad i en pressdyna avsedd för 1200M.

Rullformning: fortfarande (allt mer) populärt

Medan kallpressning av 1,5 GPa-delar är något relativt nytt har (kall) rullformning av UHSS-stål varit vanligt i åratal (på andra platser än Japan). Konstruktörer och underleverantörer har blivit alltmer sofistikerade i sina rullformningstillämpningar, och tänjer på gränserna för vilka former som kan skapas.

Exempelvis använde Shape Corp. rullformning och 3D-bockning av Docol^® CR1350Y1700-MS-UC i sin serietillverkning av denna takreling för Ford-modeller. Resultatet är en lätt, kostnads- och energieffektiv komponent som med sina tunnare väggar förbättrar sikten för bilens passagerare.

3D-rullformning: en lösning utan problem?

Tredimensionell rullformning har föreslagits som en alternativ metod för tillverkning av något mer komplexa geometrier i UHSS.

SSABs experter på krockprestanda föreslog användning av 3D-rullformning av 1700M-stål för batteriskydd i Docol^® designkoncept för elbil. Här drar man nytta av 3D-rullformade (”korrugerade”) balkar, lagda i ett rutmönster, för att skapa en exceptionellt stark bas till batterihöljet som är hälften så hög som konventionella konstruktioner.

De blå balkarna under bilens golv utgör batterihöljets nedre ”nätstruktur”. De korslagda, 3D-rullformade balkarna i Docol 1700M minskar nätstrukturens höjd med hälften.

Hur kallformbart är Docol^® CR1220Y1500T-MS?

Docol^® martensitiskt 1500 MPa-stål har förbättrade kallformningsegenskaper, vilket framgår av följande:

• Djupdragningsförhållande 2,0
• Hålexpansionstal på normalt 40 procent
• Garanterad bockningsradie på 4,0*tjockleken
• Garanterad rullformningsradie på 3,5*tjockleken

Vad kan vi förvänta oss avseende kallformning av UHSS?

SSAB följer noga införandet och drifttagningen av ny kallformningsteknik, i vetskap om att kallformningens fördelar – som kortare takttid, enklare pressningar och minskad energiförbrukning – överensstämmer väl med biltillverkarnas önskemål om förenklad produktion, lägre kostnader samt hållbarhet.

Vi uppmuntrar konstruktörer av karosskomponenter att involvera våra formningsexperter tidigt i produktutvecklingen för bästa resultat. Kontakta din lokala representant för Docol^® för att beskriva dina projektmål och ambitioner.