Prípadové štúdie Clamason | Pokročilé vysokopevnostné ocele (AHSS)

Formovanie

Väčšina materiálov z moderných vysokopevných ocelí (AHSS) má špecifické chemické zloženie a mikroštruktúru, pričom na zvýšenie pevnosti, ťažnosti, húževnatosti a únavových vlastností sa používa viacero mechanizmov spevňovania. Zatiaľ čo takéto vlastnosti sú dobrou správou pre konštruktérov, výzvou pre výrobných inžinierov je tvarovanie týchto materiálov, či už ide o lisovanie nosníkov dverí, komponentov sedadiel alebo nárazových boxov za studena, valcovanie nárazníkov, panelov kolies alebo pásov sedadiel alebo tvarovanie zložitých dielov odolných voči nárazom za tepla.

"Napríklad spätné pruženie sa často považovalo za hlavnú prekážku pri lisovaní AHSS, ale proces lisovania za tepla toto riziko eliminuje," vysvetľuje Jean-Luc Thirion, generálny riaditeľ spoločnosti ArcelorMittal Global R&D. "Keď boli materiály AHSS prvýkrát uvedené na trh, výrobcovia OEM ich rýchlo rozpoznali ako veľkú príležitosť na úsporu hmotnosti vďaka ich veľmi vysokej pevnosti v ťahu v kombinácii s robustnosťou počas spracovania. Tento trend posilnila technológia laserom zváraných polotovarov [LWB], ktorá dokáže kombinovať niekoľko tried lisovaných za tepla s cieľom optimalizovať riadenie havárií."

Ďalším spôsobom kontroly spätného pruženia prostredníctvom progresívneho ohýbania je valcovanie ultravysokopevnostných ocelí (UHSS) a profily, ktoré možno získať, sú čoraz zložitejšie. Sortiment výrobkov MartINsite spoločnosti ArcelorMittal má v súčasnosti maximálnu pevnosť v ťahu (UTS) 1 700 MPa, aj keď sa táto hodnota pravdepodobne rozšíri. Jednou z hnacích síl úspechu týchto materiálov sú ich nižšie celkové náklady, keďže proces valcovaného tvárnenia je podstatne lacnejší ako lisovanie dielov, ktoré majú konštantný prierez po celej dĺžke, ako sú bočné prahy alebo nosníky dverí.

Najnovšia, tretia generácia materiálov AHSS ponúka lepšie kombinácie pevnosti a ťažnosti, ale s nižším obsahom legujúcich látok, čo ďalej znižuje náklady. Príkladom je nedávno predstavený materiál Fortiform od spoločnosti ArcelorMittal.

"Materiály AHSS tretej generácie prinášajú novú možnosť - lisovanie zložitých dielov za studena s triedami ocele nad 1000 MPa UTS," uvádza Thirion. "Môžu nahradiť niektoré materiály staršej generácie AHSS, ako sú dvojfázové ocele, a ponúknuť potenciálnu úsporu hmotnosti 10 - 20 %.

"Špecifické mikroštruktúry Fortiformu nám umožňujú kombinovať vynikajúcu globálnu tvárniteľnosť, meranú napríklad predĺžením, a vynikajúcu lokálnu tvárniteľnosť, ktorú možno odhadnúť prostredníctvom pomeru rozšírenia diery," pokračuje. "Rozdiel je v cykloch tepelného žíhania, ktoré sme vyvinuli na získanie najvhodnejšej kombinácie fáz. Predchádzajúca generácia dvojfázových ocelí bola kombináciou mäkkej fázy [feritu] a tvrdej fázy [martenzitu]. Komplexný cyklus žíhania používaný pri výrobe Fortiformu však pridáva zachovaný austenit, ktorý má kľúčovú úlohu pri zvyšovaní tvárniteľnosti."

"Úzko spolupracujeme s výrobcami automobilov a dodávateľmi prvého stupňa a starostlivo zvažujeme ich požiadavky v našich programoch vývoja produktov," hovorí Thirion. "Okrem toho často spolupracujeme na vývoji nových výrobkov už v ranom štádiu, aby sme mohli pri dolaďovaní našich materiálov zohľadniť ich prvú spätnú väzbu." Niekoľko výrobcov automobilov už zaviedlo triedy Fortiform alebo HF (vysoká tvárnosť), napríklad Alfa Romeo na modeli Giulia a Peugeot na modeli 5008. Louis David, hlavný odborník na materiály a procesy pre vozidlá v PSA, hovorí o Fortiforme: "Zníženie hmotnosti našich vozidiel môžeme dosiahnuť pri nulových alebo takmer nulových dodatočných nákladoch. To je jeden z charakteristických znakov práce s oceľou. Väčšina iných riešení na zníženie hmotnosti je pomerne drahá a stojí nás niekoľko eur za každý získaný kilogram. Vysokopevnostnú oceľ alebo AHSS nahrádzame oceľou Fortiform, pretože ponúka ešte vyššie mechanické vlastnosti pri rovnakej úrovni tvárniteľnosti."

"Tvarovanie za studena je spojené s dobrou tvárniteľnosťou a dobrá tvárniteľnosť je niečo, čo výrobcovia automobilov vždy hľadajú u ocele," pokračuje. "Odkedy sme začali používať Fortiform, nikdy sme nemali problém s výrobou alebo montážou. S pomocou spoločnosti ArcelorMittal a správnych foriem sa nám podarilo vytvoriť zložité diely, ktoré sa dajú použiť na bežnej výrobnej linke bez akýchkoľvek špeciálnych požiadaviek." Spoločnosť ArcelorMittal očakáva, že v budúcnosti dôjde k postupnému nahrádzaniu konvenčných tried AHSS triedami UHSS. Tvrdí, že valcovanie martenzitických tried by malo rýchlo rásť, keďže výrobcovia OEM zvyšujú elektrifikáciu vozidiel.

"Vieme, že batérie budú kritickými modulmi v týchto vozidlách, pretože je mimoriadne dôležité chrániť batérie pred nárazmi," hovorí Thirion. "Na toto použitie sa čoraz viac požadujú ocele s veľmi vysokou medzerou klzu a valcované martenzitické triedy poskytujú nákladovo efektívne riešenie na ochranu batérií."

Podľa ďalšieho dodávateľa materiálu, spoločnosti SSAB, sú triedy AHSS tretej generácie klasickou definíciou "sweet spot" pre výrobcov automobilov - vysoká pevnosť s lepšou ťažnosťou a lepšou použiteľnosťou. Ťahavosť znamená, že tieto ocele možno tvárniť za studena na výrobu zložitejších geometrií v porovnaní s AHSS prvej generácie a že po tvárnení môže v materiáli zostať dostatočná ťažnosť na zabezpečenie výkonu pri havárii. Materiály Docol AHSS od spoločnosti SSAB sú k dispozícii v niekoľkých variantoch, z ktorých najnovším prírastkom je Docol HE, rad za tepla valcovaných AHSS so zlepšenou tvárnosťou hrán a výrazne zvýšenou lokálnou tvárniteľnosťou, kvalitou strižných hrán a pomerom rozšírenia dier.

"Vďaka jemnejšej mikroštruktúre a zlepšenej tvárnosti hrán umožňuje Docol HE tvárniť komponenty s rezanými hranami bez rizika vzniku mikrotrhlín, otrepov alebo porúch, ktoré môžu byť pre výrobu nákladné," vysvetľuje Daniel Sund, produktový manažér pre valcovanie za tepla v spoločnosti SSAB. Medzi cieľové komponenty patria podvozkové diely, konzoly a sedadlá, ako aj komponenty v pohonných jednotkách, spojky, spojky a akékoľvek iné diely, ktoré sú lisované s pretiahnutou hranou."

Dodávatelia na vyšších úrovniach sa pripravujú

Medzi spracovateľmi vysokopevnostných ocelí je aj spoločnosť Clamason Industries, špecialista na lisovanie kovov so sídlom v Spojenom kráľovstve, ktorej 50 % obchodov pochádza z automobilového sektora. Spoločnosť formuje a lisuje materiál, ktorý zvyčajne dodávajú spoločnosti ako Tata a ArcelorMittal, zo zvitkov s hrúbkou 1,0 alebo 3,0 mm a šírkou až 400 mm. Zvitok sa vkladá do progresívnych nástrojov spoločnosti, kde sa reže a tvaruje, pričom sa kompletne vyklopí.

Spoločnosť Clamason, ktorá zamestnáva 290 ľudí vo svojich prevádzkach v Spojenom kráľovstve a na Slovensku, vyrába diely v množstve do 5 miliónov kusov ročne pre zákazníkov z automobilového priemyslu prvej kategórie. K splneniu požiadaviek na priepustnosť prispela nedávna investícia vo výške 1 milióna libier (1,3 milióna USD) do projektu so spoločnosťou Bruderer UK na nový 300-tonový lis Zani Motion Master.

"300-tonový Motion Master nám umožňuje dosiahnuť viac ako 80 zdvihov za minútu a prevziať oveľa väčšie a zložitejšie komponenty," vysvetľuje obchodný riaditeľ Ian Davies. "Rozhodli sme sa tiež pre riešenie na kľúč, ktoré zahŕňa servopodávač a odvíjaciu linku." Dôležité je, že lis má H-rámovú konštrukciu, ktorá je vhodnejšia na spracovanie vysokopevnostných ocelí ako konvenčné koncepcie s C-rámom. "Okrem toho technológia Motion Master mierne spomaľuje rýchlosť pohybu na spodnom konci zdvihu, aby sa zvýšila presnosť a zabránilo sa riziku zlomenia materiálu," hovorí Ian Davies. "To môže znamenať, že komponenty z vysokopevnostnej ocele spracovávame o niečo pomalšie ako bežné diely - rýchlosťou 45 za minútu namiesto 60 - aby sme zabezpečili, že budú spĺňať požadované špecifikácie."

Ian Davies uvádza, že spracovanie vysokopevných ocelí si rozhodne vyžaduje osobitný súbor úvah: "Napríklad vo fáze skúšok uskutočniteľnosti musíme zvyčajne vykonať úpravy nástrojov. Sú potrebné nástroje s vyššou špecifikáciou, pretože húževnatosť materiálu spôsobuje rýchlejšie opotrebovanie, než by bolo pri použití bežnej ocele. Okrem toho musíme na rezné plochy nástrojov zvyčajne naniesť špeciálny povlak."

Skúšky uskutočniteľnosti tiež pomáhajú určiť množstvo kompenzácie spätného pruženia, ktoré bude potrebné na vytvorenie presných foriem. Medzi diely z vysokopevnostnej konštrukčnej ocele vyrábané v spoločnosti Clamason patria rôzne držiaky prístrojovej dosky a lakťovej opierky, z ktorých mnohé využívajú tieto materiály na splnenie noriem pre crash testy.

Výrobcovia dodávateľského reťazca, ktorí poskytujú služby tvárnenia materiálov AHSS, budú mať v nasledujúcich rokoch pravdepodobne mimoriadne veľa práce, keďže tieto zliatiny využíva čoraz viac platforiem vozidiel. Príkladom je Honda Acura RDX 2019, ktorá sa vďaka spolupráci spoločnosti so spoločnosťou ArcelorMittal môže pochváliť prvým vnútorným vonkajším krúžkom dverí UHSS na svete. Kombinácia piatich rôznych meradiel Usibor 1500 UHSS od spoločnosti ArcelorMittal tvorí vnútorný prstenec dverí modelu RDX, pričom štyri meradlá sú použité vo vonkajšom prstenci.

Rôzne druhy ocele Usibor sa pred odoslaním do závodu ArcelorMittal Tailored Blanks v Detroite, kde prebieha technológia, ktorá umožňuje laserovú abláciu, pripravujú polotovary v dodávateľskej spoločnosti. Po ablácii sa ocele zvaria dohromady, pričom presnosť zabezpečujú viaceré procesy kontroly kvality. Polotovary sa potom posielajú na lisovanie za tepla do finálnej súčiastky požadovanej výrobcom automobilov.

Inde sa obsah AHSS v modeli Jeep Grand Cherokee 2019 zvýšil, zatiaľ čo Ford hlási to isté pri modeloch ako Explorer a Fiesta, rovnako ako GM pri svojom Chevrolete Silverado 2019. Volvo a ďalšie európske automobilky tiež vo veľkej miere využívajú ocele s obsahom bóru lisované za tepla. Okrem toho Hyundai pri svojom modeli Accent 2018 uvádza, že 54,5 % karosérie tvorí AHSS - o 13 percentuálnych bodov viac ako pri predchádzajúcej generácii modelu.

Pri takomto dopyte sa skupina materiálov AHSS a UHSS bude rozširovať, pretože sa vyvíja v súlade s rozmanitými výkonnostnými potrebami komponentov vozidiel. Tieto oceľové zliatiny, ktoré zlepšujú pevnosť a bezpečnosť, poskytujú aj riešenia na zníženie spotreby paliva, zníženie emisií, trvanlivosť a kvalitu, a to všetko pri zabezpečení ekonomicky konkurencieschopných nákladov.

Pokročilé vysokopevnostné ocele (AHSS)

Formovanie

Jemné doladenie materiálov

Dodávatelia na vyšších úrovniach sa pripravujú

Poďme začať

Sektory

Schopnosti

Udržateľnosť

Zdroje

Clamason UK

Clamason Slovakia