Процесс горячей штамповки уходит корнями еще в кузнечное дело, но интерес к нему в современном мире продолжает расти. В погоне за снижением веса кузова автопроизводители ищут материалы, позволяющие достичь высокой прочности в готовом изделии и быть пластичными при деформировании. С технологией горячей штамповки это становится доступно.
Юлия Платкова
Менеджер (Служба технической поддержки клиентов)
Немного истории
Впервые технология горячей штамповки, адаптированная для производства автомобильных деталей, была презентована в 1973 году шведской компанией Norrbottens. Компания совместно с техническим Университетом Лулео (Luleå tekniska universitet) продолжила совершенствовать процесс, оптимизируя оснастку и материалы и разрабатывая методы соединения деталей. Полученные знания были применены при производстве первого шведского автомобиля бизнес- класса Saab 9000, с появлением которого популярность метода горячей штамповки начала стабильно расти.
1973
год
начало производства автомобильных деталей методом горячей штамповки
В современных автомобилях число деталей кузова, полученных методом горячей штамповки, постоянно растет. Если в первых моделях процент штампованных деталей не превышал четырех, то сейчас в некоторых моделях Land Rover и Audi эта цифра может достигать 25%.
Для примера, в новой модели пикапа Chevrolet Silverado доля деталей полученных горячей штамповкой составляет 5,5%, а в модели Acura RDX — уже 15%.
Методом горячей штамповки производят детали относительно сложной формы, такие как передняя и средняя стойки, усилители бампера, балки дверей, туннель.
Что такое горячая штамповка? Прямой и непрямой процессы
Основой процесса горячей штамповки является деформирование металла, предварительного нагретого до температуры более 850°С, а затем охлаждение со скоростью более 50°С/сек, для получения высокой прочности.
В настоящее время существуют 2 различных процесса горячей штамповки: прямой метод (direct hot forming) и косвенный (indirect hot stamping). Основное отличие — в наличии предварительной вытяжки до нагрева. Дополнительный этап позволяет получить еще более сложную геометрию детали.
- При прямом процессе стальной рулон режется на заготовки — бланки (шаг 1). Они загружаются в высокотемпературную печь, имеющую несколько секций, что важно для выравнивания температуры.
- На шаге 2 происходит термообработка. Как правило, это нагрев до температуры 900°С, чтобы изменить микроструктуру на аустенитную. Нагрев в непрерывной печи длится 5-8 минут.
- На шаге 3 «горячий» бланк передается в водоохлаждаемый штамп роботами или через транспортирующий механизм.
- На шаге 4 происходит штамповка нагретого бланка до заданной геометрии. В начале процесса температура составляет 850°С, в конце — 650°С. Благодаря высокому удлинению металла — более 50%, и постоянному истинному пределу текучести — 40МПа в аустенитной фазе, бланку можно придать достаточно сложную форму и избежать эффекта пружинения.
- Шаг 5 — закалка в штампе. Деталь, получившая конечную геометрию, контактирует с водоохлаждаемой поверхностью оснастки. Скорость охлаждения составляет 50°С/сек. Такая закалка ведет к значительному увеличению прочности материала. Свойства отштампованной и закаленной детали составляют: 1000- 1250 МПа — предел текучести, 1400-1700 МПа — предел прочности, 4-8% удлинения.
Общее время операции от передачи роботами, штамповки и закалки составляет 20-30 секунд и зависит от скорости закалки и самой системы. Для небольших деталей возможна множественная штамповка (как правило, от 2 до 4 единиц за одну штамповку).
Из-за высокой прочности материала, для операций порезки, обрезки кромок и получения отверстий требуется специальное оборудование, выдерживающее высокие нагрузки.
Процесс непрямой горячей штамповки был разработан, чтобы снизить износ штампов при контакте со сталью без покрытия. Также он позволяет добиться более сложной геометрии конечной детали. Однако, производственные затраты при этом процессы выше, чем при прямом процессе — используется не один, а два штампа.
Непрямой процесс подразумевает предварительную штамповку (шаг 1А) и обрезку кромок в холодном состоянии (шаг 2А). В данном процессе 90-95% геометрии достигается в традиционном штампе при комнатной температуре.
На шаге 3А штампованная деталь подвергается обычному циклу нагрева и далее подвергается горячей штамповке (шаг 4А). При этом становится возможной деформация областей, которая не могла быть реализована при комнатной температуре.
Используемые материалы
Для горячей штамповки используют стали на основе бора (0,001- 0,005%). Успешной признана марка 22MnB5. В исходном состоянии сталь не такая прочная, типичные свойства: 350-400 МПа — предел текучести, 550-600 МПа — предел прочности, 25% — полное удлинение.
В процессе нагрева, штамповки и закалки свойства стали трансформируются. Под воздействием температуры увеличивается относительное удлинение материала, что дает возможность получить более сложную геометрию детали. Высокая прочность в готовом изделии достигается охлаждением в штампе. Варьировать свойствами конечной детали можно за счет изменения скоростей охлаждения. Благодаря использования современных сталей прочность увеличивается до 2000 МПа.
При горячей штамповке важно учитывать трение между оснасткой и заготовкой. На этот параметр может повлиять изменение топографии поверхности и удаление оксидного слоя, возникающего по из-за высокой температуры.
Чтобы избежать излишнего износа оснастки рекомендуется использовать прокат с покрытием. Помимо защиты от окисления металла, покрытия дают коррозионную стойкость самой детали, и при их использовании, как правило, не требуется дополнительная дробеструйная обработка поверхности. В настоящее время, как правило, применяется алюмо-кремниевое (AS) покрытие.
2000
МПа
прочность современных сталей
Преимущества
Что же делает технологию горячей штамповки такой привлекательной? Зачастую, при холодной штамповке сложной формы можно добиться только за несколько этапов, что увеличивает количество требуемой оснастки. На каждом этапе необходимо подобрать настройки и учесть изменение геометрии. Кроме этого, полученные детали не обладают той степенью прочности, которая требуется для обеспечения безопасности пассажиров.
- Благодаря тому, что горячая штамповка позволяет добиться прочности от 1500 до 2000 МПа, эта технология имеет высокий потенциал в снижении веса кузова, особенно для компонентов безопасности.
- Материал легко штампуется. Из-за предварительного нагрева, он очень пластичный (удлинение может достигать 40%).
- Конечными свойства также можно управлять, подбирая режимы охлаждения, а изменяя температуру в различных областях штампа, на одной детали можно получить зоны с различной прочностью.
- Эффект пружинения, который является трудностью при холодной штамповке, исключается. Это позволяет лучше прогнозировать геометрию конечного изделия.
- Можно использовать сборно-сварные заготовки и получать уникальные детали за один этап благодаря соотношению различной толщины и марки.
Современное развитие
Технология горячей штамповки получила признание автопроизводителей уже давно, но ее актуальность и дальнейшее развитие не подлежат сомнению. По-прежнему сохраняется потенциал технологии в дальнейшем снижении веса кузова и создании более сложных деталей. Производители стали предлагают все более эффективные материалы и покрытия, способные удовлетворять самым жестким требованиям клиента.
Компанией Северсталь в партнерстве с ЦНИИчермет им. И. П. Бардина разработана технология производства бористых сталей для горячей штамповки.
Статья основана на материалах международной ассоциации автомобильной стали — WorldAutoSteel, членом которой является ПАО «Северсталь». Оригинальные материалы Вы можете найти по ссылкам: статья 1 и статья 2.
Уважаемые читатели, присылайте свои вопросы, предложения по этой статье или другим интересующим темам на адрес инжинирингового портала. Ваша обратная связь важна для команды инжинирингового портала. Спасибо за внимание.
С уважением, команда Инжинирингового портала
Перечень использованных ресурсов:
- Hot forming Process photos courtesy of M. Peruzzi, voestalpine Stahl GmbH and R. Mohan Iyengar et al, «Implications of Hot-Stamped Boron Steel Components in Automotive Structures, ” SAE Paper 2008-01-0857 (2008).
- Photos provided courtesy of C. Walch, voestalpine Stahl GmbH.
- Справочник высокопрочных сталей ассоциации WorldAutoSteel — Advanced High-Strength Steels Application Guidelines Version 6.0.
Вам может быть интересно
Соответствие стандартов «Северстали» национальным стандартам и сводам правил России
Оптимизация профилей ЛСТК
Контейнер для сбора мусора – дешевле и экологичнее
Снижение металлоемкости кабины трактора
Фронтальные стеллажи из высокопрочных сталей
Где в машиностроении могут использоваться атмосферостойкие стали?
Сравнение износостойкости марок стали
Дешевые и надежные стальные бочки
Стальные автомобили будущего
Кузов карьерного самосвала – образец надежности, источник экономии
Перекрестные испытания как способ подтверждения правильности эксперимента
