Varför presshärdningsstål nu är populärt bland bilkonstruktörer

Vi intervjuar två av SSABs experter på presshärdningsstål för att ta reda på mer om:

• Var biltillverkarna nu använder 1800 och 2000 MPa varmpressade borstål i sina bilkarosser.
• Den designfrihet som dagens presshärdningstekniker erbjuder, inklusive komponenter för deformationszoner.
• Fördelarna (t.ex. bättre formnoggrannhet, komplexa geometrier) och nackdelar (kostnad, energi, låg produktionshastighet) med varmpressning.
• Utvecklingsberättelsen om Docol^® 2000 PHS.
• En jämförelse mellan UHSS-sorter: PHS kontra martensitiskt.

Vad kan du berätta om den nya VDA-standarden för 1900 MPa presshärdningsstål?

Det är en helt ny standard, men biltillverkarna har redan använt den för att utveckla sina egna OEM-standarder. VDA-namnet på den nya PHS-sorten är CR1900T-MB-DS, vilket motsvarar SSABs stålsort Docol^® PHS 2000, som har en brottgräns på två gigapascal, eller 2000 MPa.

Det är det starkaste stål som finns att tillgå. Var använder bilkonstruktörerna det?

Det finns många olika tillämpningar, men högt på önskelistan står att skydda batteripaket i elbilsplattformar, där det inte är tillåtet med någon inträngning – vilket är särskilt svårt att uppnå i sidokrocktestet. Fordonstillverkarna kommer därför att använda 2000 MPa presshärdningsstål i säkerhetskomponenter som tvärbalkar i golvet, mellan sidotrösklarna, för att skydda elbilsbatteriet.

Tror du att nya Docol^® PHS 2000 även kan användas i andra tillämpningar där PHS 1500 MPa traditionellt har använts?

Javisst, PHS 2000 – och PHS 1800 – är inte bara till för elbilar: det kommer också att vara användbart för bilar med förbränningsmotor. Det kan användas där konstruktörer antingen behöver maximal hållfasthet eller viktminskning genom att använda tunnare väggar.

Den klassiska fordonstillämpningen för bor-PHS är fordonets A- och B-stolpar. Men PHS används också i takrelingar, sidobalkar, tvärbalkar i tak och instrumentpanel samt förstärkningar av dörrar, A-stolpar och golv. Du kommer att upptäcka att de varmpressade delarnas konstruktion brukar ha mycket komplexa geometrier, och det är där presshärdningsstålen utmärker sig.

En annan fördel med att använda varmpressat stål är att en enstaka del kan ha olika hållfasthetsnivåer – så att delen beter sig på ett specifikt sätt vid en kollision, eller hur?

Det stämmer. En pressform kan segmenteras för att skapa olika härdningsprocesser. För att till exempel skapa en deformationszon i PHS härdar man inte hela delen. Den dolda, ohärdade delen har en lägre hållfasthetsnivå som kan absorbera energi vid en kollision. Det härdade segmentet i delen, som har högre brottgräns, tål höga krafter. Det har skett en hel del utveckling inom deformationszoner i PHS. Ett exempel är att utforma den nedre delen av B-stolpen som en deformationszon.

Skräddarsydda ämnen är ett annat sätt att skapa en PHS-del med ”segmenterat beteende”, eller hur?

Ja. Ett skräddarsytt valsat ämne är ett stålband som kallvalsats för att skapa olika tjocklekar över bandets bredd. Så du kan specificera var du vill att bandet ska vara tjockare och var du vill att det ska vara tunnare, baserat på dina krav på den färdiga delen och hur du vill att den ska fungera.

Ett skräddarsytt svetsat ämne kan variera ännu mer: du kan svetsa samman band av PHS med olika tjocklek, eller till och med svetsa samman ett PHS-band med ett band av icke-PHS.

Alla dessa val får mig att tänka på det som kallas ”designfriheten” med PHS.

Så här fungerar det: du har ett borstål som du värmer och pressar vid 900 °C. Vid den temperaturen kan du lätt varmpressa PHS till mycket komplexa former med djupa profiler. Denna designfrihet ger bilkonstruktörer möjlighet att arbeta mer kreativt i sin komponentutformning. Till exempel genom att utnyttja PHS höga brottgräns för att konstruera lättare delar. Designfrihet kan ibland betyda färre delar – genom att konsolidera delar. Och kanske designfriheten innebär att delarna presterar bättre i krocktester.

Varmpressning möjliggör ökad formnoggrannhet för den färdiga delen, eller hur?

En karakteristisk styrka hos värmebehandlingsbart stål är liten eller ingen återfjädring, vilket i sin tur leder till bättre formnoggrannhet. Detta tar många fasta på när brottgränsen för AHSS blir allt högre och återfjädringen kan komma att öka.

Men å andra sidan har vi numera en bättre förståelse för – och kan bättre förutsäga och kontrollera – återfjädring i kallformade bilkomponenter, även när det handlar om gigapascalstål.

Naturligtvis beror mycket på komponentens konstruktion: istället för att bara utgå från att du måste betala mer för att använda PHS för att undvika återfjädring kan du tala med din AHSS-leverantör tidigt i konstruktionsprocessen. Många konstruktionskoncept, med smärre modifieringar och rätt produktionssekvens kan kallformas med mycket god slutlig formnoggrannhet.

Docol^® PHS 2000 är ovanligt på så sätt att det ursprungligen utvecklades för en kund, eller hur?

Ja. Vi arbetar alltid nära våra kunder. Men i det här fallet kontaktade kunden Gestamp oss med en mycket specifik förfrågan: ”Kan ni utveckla ett presshärdningsstål med en brottgräns på 2000 megapascal men med duktiliteten hos 22MnB5 (som har en brottgräns på 1500 MPa)? Vi vill använda det i vårt lättare stötfångarkoncept.” Vi insåg värdet av ett 2000 MPa-stål även för andra säkerhetskomponenter, så vi svarade ja.

Och att utveckla ett presshärdningsstål har sina egna unika utmaningar, eller hur?

Det stämmer. Som du vet utvecklar biltillverkaren de slutliga mekaniska egenskaperna i stålet när det hettas upp, formas och härdas. Och många olika faktorer spelar in: Hur länge är stålet i ugnen och vid vilken temperatur? Vilka kylmedia används i verktyget? Vilket är kontakttrycket mellan verktyget och materialet?

Alla dessa pressningsprocesser som biltillverkarna och tier 1-leverantörerna använder är skyddade – var och en kan bearbeta presshärdningsstålet på olika sätt. Gestamp avslöjar inte ens sina varmpressningsmetoder för oss! (skratt) Men vi behövde tillverka ett PHS 2000-stål som fungerade för flera biltillverkare. Så det var en stor utmaning.

För att uppnå nödvändig duktilitet i PHS 2000 fick SSAB fokusera på stålets kemiska sammansättning och processystemen på våra stålverk. Samt informera kunderna om rekommenderad ugnstemperatur och kylningshastighet – den minsta kylningshastighet som krävs för att skapa stålets martensitiska mikrostruktur och därmed dess slutliga brottgräns.

Och vad gjorde Gestamp?

De testade våra material med sina presshärdningsverktyg. Deras feedback och tester var mycket värdefulla när vi tog fram nya uppdateringar av PHS 2000. Att arbeta så nära dem gav både oss och dem snabbare insikter.

Vad blev resultatet?

Gestamps stötfångare i PHS 2000 är 17 procent lättare och ändå kostnadseffektiv. Så både Gestamp och SSAB blev vinnare.

En snabb jämförelse av ultrahöghållfasta stål

	Presshärdningsstål (PHS)	Martensitiskt stål (MS)
Formningsprocess	Varmpressning/presshärdning	Kallformning
Högsta brottgräns	2000 MPa	1700 MPa
Frihet att utforma komplexa delar (t.ex. djupa profiler osv.)	Mycket hög: vid 900  C formas delarna snabbt till komplexa konstruktioner	Komplexa konstruktioner kan behöva modifieras för kallformningstekniker
Återfjädring	Kraftigt reducerad eller eliminerad	Behöver förutsägas och kontrolleras
Slutlig formnoggrannhet	Mycket god	Mycket bra när återfjädringen hanteras korrekt
Verktyg	Mycket dyrare	Mindre dyrt
Produktionstid	Mycket långsammare	Mycket snabbare
Energiförbrukning/koldioxidavtryck vid formning	Mycket hög	Lägre
Delens totalkostnad	Högre	Lägre
Popularitet (% av bilkarossen)	Växande	Växande