Strefowa obróbka cieplna taśm stalowych tłoczonych na gorąco

Rosnące zapotrzebowanie przemysłu motoryzacyjnego na elementy charakteryzujące się wysoką wytrzymałością oraz skomplikowanym kształtem doprowadziło do opracowania nowoczesnych technik kształtowania taśm stalowych na gorąco. Do tej grupy metod zaliczany jest proces strefowej obróbki cieplnej, który jest realizowany podczas tłoczenia. Pozwala on na uzyskanie elementów o skomplikowanym kształcie, charakteryzujących się strefowo zróżnicowanymi własnościami mechanicznymi.

W ostatnich latach obserwuje się rosnące zapotrzebowanie na komponenty stalowe stosowane w konstrukcji samochodów osobowych, od których wymaga się korzystnego stosunku wytrzymałości do masy. Wynika to zarówno z konieczności zmniejszenia poziomu zużycia paliwa, a co z tym związane – zmniejszenia emisji spalin do środowiska. Konieczne jest również zapewnienie pasażerom odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa biernego. Niezmiennie utrzymujący się trend sprzyja upowszechnianiu procesu tłoczenia na gorąco ze względu na możliwość produkowania elementów o bardzo dobrym stosunku wytrzymałości do masy, przy jednoczesnym zwiększeniu ich własności mechanicznych dzięki mikrostrukturze otrzymanej na końcu procesu.

Obecnie coraz częściej stosuje się tłoczenie na gorąco blach stalowych o wysokiej wytrzymałości, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym. Wynika to z możliwości produkowania elementów, takich jak zderzaki i słupki, charakteryzujących się wysoką energochłonnością i dokładnością wymiarową, wynikającą ze zmniejszenia efektu sprężynowania tych elementów. Jednak ze względu na wysokie własności wytrzymałościowe elementów wykonanych w tej technologii powstają problemy związane z procesami cięcia tych elementów. Związane jest to z koniecznością stosowania większych sił w procesie, co prowadzi do szybszego zużycia elementów roboczych. Dodatkowo elementy wykonane poprzez tłoczenie na gorąco charakteryzują się relatywnie niską ciągliwością, która jest istotna w zagadnieniach związanych z bezpieczeństwem biernym konstrukcji samochodów osobowych.

W celu poprawienia własności elementów tłoczonych opracowano modyfikację tej metody. W wyniku wielu analiz opracowano technologię tłoczenia blach na gorąco o strefowym systemie chłodzenia. Technologia ta jest znana pod nazwą tailored tempering.

Tłoczenie na gorąco w połączeniu ze strefowym sterowaniem szybkością chłodzenia stosowane jest dla elementów konstrukcyjnych nadwozia samochodów, m.in. takich jak słupki B. Element ten umiejscowiony jest w środkowej części pojazdu pomiędzy dachem a podłogą. W dwóch trzecich swojej wysokości (górna część) powinien charakteryzować się dużą wytrzymałością w celu minimalizacji odkształcenia w warunkach kolizji pojazdu; jedna trzecia wysokości (dolna część) powinna cechować się natomiast dobrą plastycznością, co pozwala na pochłonięcie części energii odkształcenia. W procesie strefowej obróbki cieplnej podczas jednej operacji technologicznej możliwe jest uzyskanie wymaganych, strefowo zróżnicowanych własności mechanicznych [1-4].

Odmiany metody

Metoda strefowej obróbki cieplnej jest z powodzeniem stosowana w przemyśle motoryzacyjnym. Jej zastosowanie ma na celu otrzymanie elementów o zróżnicowanej mikrostrukturze, a co za tym idzie – własnościach mechanicznych podczas jednej operacji technologicznej. Jest to istotne pod względem zachowania się elementów konstrukcyjnych podczas kolizji. Część elementów konstrukcji nośnej samochodów osobowych, jak podłużnica samochodowa, ma za zadanie pochłonąć jak największą ilość energii w trakcie kolizji. Jednocześnie musi chronić kierowcę przed niebezpieczeństwem zgniecenia.

Efekt ten można uzyskać poprzez stopniowe zwiększanie sztywności elementu. Jest to możliwe poprzez wykonanie elementu konstrukcji z blach o różnej grubości (grubsza blacha o większej sztywności bliżej kabiny pojazdu), jednak wymaga to spawania ze sobą blach o różnym przekroju. Inną możliwością jest wytworzenie elementu charakteryzującego się zmienną strukturą na długości. Efekt ten jest możliwy do uzyskania poprzez zaprojektowanie odpowiednich kombinacji zabiegów grzania i chłodzenia w poszczególnych strefach kształtowanego elementu [2, 3]. Metoda ta ma szereg zalet [5]:

• nie ma specjalnych wymagań odnośnie do warunków nagrzewania – do procesu można stosować konwencjonalne piece stosowane w procesie tłoczenia na gorąco;

• własności mechaniczne mogą być kształtowane w szerokim zakresie;

• proces charakteryzuje się dużą elastycznością pod względem wielkości, kształtu i położenia obszarów o dużej plasty­czności.

Do tłoczenia na gorąco stosowane są zazwyczaj stale niestopowe. Typowym przedstawicielem stali do tłoczenia na gorąco jest stal gatunku 22MnB5. Jest to typowa stal niestopowa zawierająca około: 0,22% C, 1,2% Mn, 0,2% Si i 0,2% Cr [2, 5]. W stanie wyjściowym ma typową strukturę ferrytyczno-perlityczną. Proces wytwarzania elementów poprzez zastosowanie tłoczenia na gorąco w prasie w celu uzyskania elementów o strefowo zróżnicowanych własnościach może być realizowany na kilka sposobów (rys. 1).

Galeria