Strefowa obróbka cieplna taśm stalowych tłoczonych na gorąco

Strefowe nagrzewanie

W strefach, gdzie wymagane są najwyższe własności wytrzymałościowe, arkusz blachy nagrzewany jest do temperatury występowania austenitu (powyżej Ac3), dzięki czemu możliwe jest jego zahartowanie. W obszarach, od których wymaga się większej ciągliwości, utrzymywana jest temperatura poniżej Ac3, co prowadzi do uzyskania struktury niezawierającej martenzytu. Dzięki temu można uzyskać element charakteryzujący się strefą o strukturze martenzytycznej oraz strefą o strukturze ferrytyczno-perlitycznej (rys. 2). W praktyce proces ten może być realizowany na kilka sposobów. Jednym z nich jest koncepcja wykorzystania pieca do obróbki cieplnej, w którym istnieje kilka komór o zróżnicowanych temperaturach, które są usytuowane równolegle. Metoda ta ma jednak pewne ograniczenia techniczne i może być stosowana do elementów niewymagających głębokiego tłoczenia.

Obróbka cieplna bardziej złożonych części może być zrealizowana przy wykorzystaniu promienników 3D oraz osłon radiacyjnych, co umożliwia strefową austenityzację. Innym sposobem jest wykorzystanie grzania oporowego, które umożliwia precyzyjne kontrolowanie nagrzewanych stref. Metoda ta jest jednak trudna do zastosowania dla elementów o skomplikowanej geometrii, co jest związane z koniecznością zamontowania rozbudowanego układu styków elektrycznych [5].

Strefowe chłodzenie

Inną strategią produkowania komponentów o strefowo zróżnicowanych własnościach mechanicznych jest zastosowanie chłodzenia strefowego. Zastosowanie dużych szybkości chłodzenia rzędu 27 K/s prowadzi do zahartowania elementu; w obszarach, gdzie intensywność chłodzenia jest mniejsza, uzyskuje się strefę o większej ciągliwości, ale mniejszej wytrzymałości. Pozwala to na wytwarzanie elementów odpowiadających za bezpieczeństwo bierne, charakteryzujących się zmienną sztywnością na długości, co w początkowym etapie kolizji pozwala na pochłanianie energii, a w późniejszej – na ograniczenie deformacji elementów w celu ochrony pasażerów.

Zróżnicowaną szybkość chłodzenia można osiągnąć poprzez strefowe nagrzewanie narzędzia formującego wykonanego ze stali o zróżnicowanej przewodności cieplnej rzędu od 55 W/mK do 6 W/mK  (rys. 3). Strefowe zróżnicowanie temperatury elementu można również zrealizować poprzez zastosowanie osłon ceramicznych, co w rezultacie skutkuje zmniejszoną szybkością chłodzenia w obszarze, gdzie zastosowano tego rodzaju zabezpieczenie. Sposób odciążenia matrycy może być również wykorzystany do kontrolowania warunków chłodzenia poprzez zastosowanie szczeliny pomiędzy narzędziem a obrabianym przedmiotem, co pozwala na obniżenie szybkości chłodzenia w tym obszarze.

Kontakt narzędzia z obszarem taśmy stalowej, gdzie wymagana jest duża wytrzymałość, powinien być ograniczony. W obszarze, w którym wymagana jest dobra plastyczność, występuje szczelina pomiędzy taśmą a matrycą, co powoduje wolniejsze odprowadzenie ciepła. Zastosowanie 2-milimetrowej szczeliny skutkuje obniżeniem twardości z 470 HV do 195 HV. W porównaniu do konwencjonalnych narzędzi (w przypadku których pełny styk pomiędzy narzędziem i formowanym elementem występuje zarówno na etapie tłoczenia, jak i hartowania) zastosowanie szczelin skutkuje gradacją własności mechanicznych [2, 4, 5].

Intensywność chłodzenia dwóch stykających się elementów jest zależna od ich temperatury. Ze względu na różnice temperatury związane z przewodnictwem cieplnym na powierzchni elementu można wyróżnić strefę gorącą oraz strefę zimną. Pomiędzy tymi dwiema strefami znajduje się strefa przejściowa o szerokości 12-50 mm charakteryzująca się własnościami pośrednimi. Szerokość strefy pośredniej zależy od przekroju elementu oraz szybkości chłodzenia.

Główną zaletą strefowej obróbki cieplnej taśm stalowych tłoczonych na gorąco jest możliwość zastosowania pieców do obróbki cieplnej wykorzystywanych w konwencjonalnych procesach tłoczenia na gorąco. Konstrukcja narzędzia jest jednak bardziej skomplikowana, ponieważ musi być ono podzielone na strefy o zróżnicowanej temperaturze. Dodatkowo przy projektowaniu tego rodzaju narzędzia należy wziąć pod uwagę, zależną od temperatury, rozszerzalność cieplną stali, z której jest ono wykonane. Powinno być wykonane w taki sposób, aby zapewnić optymalne warunki styku narzędzia z kształtowanym elementem [2, 5].

Obróbka cieplna po hartowaniu w prasie

Sterowanie własnościami mechanicznymi oprócz etapu obróbki cieplnej podczas procesu tłoczenia na gorąco może odbywać się poprzez zastosowanie dodatkowego wyżarzania jako etap końcowy procesu. Wyżarzanie elementów wcześniej zahartowanych ma na celu obniżenie własności wytrzymałościowych na rzecz zwiększenia plastyczności. Proces ten może odbywać się w tradycyjny sposób lub za pomocą indukcji magnetycznej bądź z wykorzystaniem technologii laserowych. Obróbka cieplna przy zastosowaniu indukcji magnetycznej jest trudniejsza w realizacji pod względem technologicznym, co ma związek z trudnościami w ograniczaniu obszaru, który ma podlegać tego rodzaju wygrzewaniu [5].

Może zainteresować Cię również artykuł: Wyżarzanie międzykrytyczne – nowoczesna obróbka cieplna stali karoseryjnych

Galeria