In che modo gli acciai avanzati ad alta resistenza modificano la produzione di componenti stampati per il settore automobilistico?

In quali ambienti vengono effettivamente utilizzati i gradi AHSS Parti per stampaggio automobilistico

Gli acciai avanzati ad alta resistenza non sono un singolo materiale ma una famiglia di sistemi di leghe distinti, ciascuno progettato con uno specifico meccanismo microstrutturale per ottenere la sua combinazione resistenza-duttilità. Capire quali qualità compaiono in quali applicazioni di parti stampate per autoveicoli è il punto di partenza per capire perché questi materiali cambiano il processo di produzione in modo così radicale. Gli acciai doppia fase (DP), la famiglia AHSS più ampiamente utilizzata, sono costituiti da una matrice di ferrite con isole di martensite disperse, che conferiscono qualità come DP600, DP780 e DP980 una combinazione di elevato tasso di incrudimento iniziale e buon allungamento che li adatta per elementi strutturali come montanti B, traverse del pavimento e mancorrenti del tetto. Gli acciai a plasticità indotta da trasformazione (TRIP) utilizzano austenite trattenuta metastabile che si trasforma progressivamente in martensite durante la formatura, fornendo un eccezionale assorbimento di energia che li rende adatti per componenti critici in caso di incidente come le guide longitudinali e i rinforzi dei paraurti. Gli acciai martensitici (MS1300, MS1500) vengono utilizzati laddove la massima resistenza è la priorità e i requisiti di formabilità sono modesti: i rinforzi dei pannelli oscillanti e le travi anti-intrusione delle porte sono applicazioni tipiche. Gli acciai stampati a caldo (HPF), in particolare 22MnB5 con rivestimento AlSi, vengono austenitizzati e quindi formati e temprati simultaneamente in uno stampo raffreddato, producendo resistenze alla trazione as-formed superiori a 1.500 MPa che nessun processo di formatura a freddo può eguagliare per parti come gli interni dei montanti anteriori e i rinforzi dei tunnel.

La scelta della qualità da utilizzare per un dato pezzo stampato per autoveicoli è guidata dalla posizione del pezzo nella struttura di sicurezza del veicolo, dal comportamento richiesto nella gestione dell'energia d'urto e dalla gravità della formatura della sua geometria. Un componente che deve assorbire energia progressivamente attraverso una piegatura controllata – come un binario anteriore – beneficia dell’elevato tasso di incrudimento dell’acciaio DP o TRIP, mentre un componente che deve rimanere rigido e resistere all’intrusione sotto carico – come un montante B – può essere meglio servito dall’estrema resistenza di una parte stampata a caldo. Questa selezione di qualità specifiche per l'applicazione significa che un singolo veicolo body-in-white può incorporare cinque o sei diverse qualità di AHSS, ciascuna lavorata attraverso diverse attrezzature e condizioni di pressa.

Gravità e compensazione del ritorno elastico nelle parti stampate automobilistiche AHSS

Il ritorno elastico è la sfida produttiva più importante che l'AHSS introduce nella produzione di parti stampate per autoveicoli e la sua gravità in questi materiali è sostanzialmente maggiore di qualsiasi altra riscontrata con l'acciaio dolce o anche con i gradi convenzionali a bassa lega ad alta resistenza (HSLA). La causa fondamentale è l'elevato rapporto snervamento/trazione caratteristico dell'AHSS: DP980, ad esempio, ha un carico di snervamento di circa 700–900 MPa e un carico di snervamento di 980 MPa, fornendo un rapporto di snervamento di 0,71–0,92. L'acciaio dolce DC04 ha un rapporto di snervamento di circa 0,45. Poiché l'entità del ritorno elastico è proporzionale al rapporto tra carico di snervamento e modulo elastico (il modulo di Young per l'acciaio è di circa 210 GPa indipendentemente dal grado) e l'AHSS ha un carico di snervamento da due a quattro volte superiore rispetto all'acciaio dolce allo stesso modulo, la deformazione elastica che si recupera dopo l'apertura dello stampo è proporzionalmente da due a quattro volte maggiore. Su una sezione di canale a 90° formata da DP980, un ritorno elastico angolare di 10°–16° sulle pareti laterali è comune prima della compensazione, rispetto a 2°–4° per una parte equivalente in acciaio dolce.

Le strategie di compensazione utilizzate nella pratica per le parti stampate automobilistiche in AHSS sono più complesse della semplice piegatura geometrica sufficiente per l'acciaio dolce. Solitamente vengono combinati tre approcci:

• Compensazione geometrica guidata da FEA: Il software di simulazione della formatura (AutoForm, Dynaform o PAM-STAMP) con una scheda materiale calibrata per il grado AHSS specifico prevede la distribuzione del ritorno elastico sulla superficie del pezzo. La geometria dello stampo viene quindi trasformata nella direzione opposta in base alla quantità di ritorno elastico previsto (un processo chiamato compensazione dello stampo) in modo che la parte ritorni alla geometria nominale dopo l'apertura dell'utensile. Per le parti strutturali automobilistiche complesse, questo processo richiede in genere due o tre cicli di simulazione-compensazione-prova prima che la geometria dello stampo converga alla forma compensata corretta.
• Riattivazione post-modulo: Una stazione di riavvio dedicata applica un carico di coniatura o stiratura alle regioni più soggette a ritorno elastico della parte, in genere le pareti laterali e le flange delle sezioni del canale, convertendo la deformazione elastica aggiuntiva in deformazione plastica e riducendo il ritorno elastico recuperabile. Le forze di riattacco per DP980 possono raggiungere il 150–200% della forza di formatura per la stessa geometria nell'acciaio dolce, il che influisce direttamente sulla selezione del tonnellaggio della pressa.
• Disegna l'ottimizzazione della geometria del tallone: L'aumento della forza di trattenuta del cordone allunga il materiale oltre il suo punto di snervamento mentre scorre sopra il cordone, lasciandolo in uno stato di tensione più elevata al termine della formatura. Una tensione più elevata all'apertura dello stampo significa un minore recupero dello stress differenziale e un ritorno elastico più prevedibile e più uniforme, più facile da compensare geometricamente. Per l'AHSS, le altezze e i raggi del cordone di stiro sono regolati in modo più aggressivo rispetto all'acciaio dolce e il conseguente aumento della forza del premilamiera deve essere tenuto in considerazione nella pianificazione della capacità della pressa.

Come AHSS accelera l'usura degli stampi e modifica i requisiti degli utensili

Le forze di formatura richieste per deformare plasticamente l'AHSS sono da due a quattro volte superiori a quelle dell'acciaio dolce dello stesso spessore e tali forze elevate vengono trasmesse direttamente alle superfici dello stampo come pressione di contatto. Il risultato è una significativa accelerazione dell’usura abrasiva degli stampi, in particolare sui raggi di imbutitura, sulle superfici del legante e sui taglienti, che riduce gli intervalli di manutenzione e aumenta il costo totale degli utensili per parte prodotta. Uno stampo che produce parti stampate automobilistiche in acciaio dolce potrebbe essere riaffilato dopo 200.000-300.000 corse; la stessa geometria della matrice che forma il DP780 potrebbe richiedere una riaffilatura dopo 80.000-120.000 corse se il materiale della matrice e il trattamento superficiale non vengono aggiornati per adattarsi alle pressioni di contatto più elevate.

La strategia del materiale di lavorazione e del trattamento superficiale per le parti stampate automobilistiche in AHSS differisce dalla pratica dell'acciaio dolce in diversi modi specifici. Il confronto seguente riassume gli aggiornamenti principali comunemente applicati:

Il grippaggio (il trasferimento adesivo del materiale del pezzo sulla superficie dello stampo) è una modalità di guasto particolarmente dannosa durante la formatura di AHSS zincato. Il rivestimento di zinco sull'acciaio DP o TRIP zincato si trasferisce facilmente sulla superficie dello stampo sotto le elevate pressioni di contatto della formatura AHSS e l'accumulo di zinco accumulato intacca le parti successive. I rivestimenti DLC (carbonio simile al diamante) hanno dimostrato le migliori prestazioni antigrippaggio per gli AHSS zincati perché l'energia superficiale estremamente bassa del DLC inibisce l'adesione dello zinco, ma la stabilità limitata della temperatura del DLC (la degradazione inizia sopra i 300°C) deve essere gestita garantendo un'adeguata lubrificazione per mantenere la temperatura della superficie dello stampo al di sotto di questa soglia durante la produzione.

Selezione della pressa e requisiti di tonnellaggio per parti stampate automobilistiche AHSS

La forza di formatura richiesta per le parti stampate in AHSS del settore automobilistico ha un impatto diretto e significativo sulla selezione della pressa. La forza di tranciatura per un dato taglio perimetrale è proporzionale alla resistenza alla trazione finale del materiale, il che significa che la tranciatura DP980 richiede circa 2,5 volte il tonnellaggio della tranciatura DC04 con lo stesso spessore e perimetro. Per un componente strutturale automobilistico di grandi dimensioni (un montante B esterno o una guida longitudinale del pavimento) la sola forza di tranciatura può raggiungere 800-1.200 tonnellate per DP980, richiedendo presse nella gamma di 1.500-2.500 tonnellate che incorporino un margine di capacità aggiuntivo per evitare di funzionare ai massimi livelli. Il funzionamento costante di una pressa al 90% del suo tonnellaggio nominale con AHSS accelera l'affaticamento del telaio della pressa, l'usura dei bulloni di connessione e l'usura dei cuscinetti dell'albero motore a ritmi che i programmi di manutenzione calibrati sulla produzione di acciaio dolce non possono prevedere.

La tecnologia delle servopresse ha fornito vantaggi significativi per le parti stampate automobilistiche in AHSS rispetto alle tradizionali presse eccentriche azionate da volano. La capacità di programmare profili di movimento del pistone arbitrari, anziché seguire una curva sinusoidale fissa, consente alle servopresse di rallentare il pistone attraverso la zona di formatura dove il ritorno elastico dell'AHSS è più sensibile alla velocità di formatura, migliorando la coerenza dimensionale. Consente inoltre alla pressa di sostare al punto morto inferiore per un tempo programmabile, il che ha dimostrato di ridurre il ritorno elastico in AHSS del 15-25% rispetto a una parte equivalente formata senza sosta, poiché la pressione sostenuta consente un ulteriore rilassamento dello stress nella geometria formata prima dell'apertura dello stampo.

Formatura con pressa a caldo: un processo separato per le parti stampate automobilistiche più resistenti

La formatura a caldo (HPF), chiamata anche tempra o stampaggio a caldo, rappresenta un approccio produttivo fondamentalmente diverso per le parti stampate automobilistiche più resistenti, quelle che richiedono resistenze a trazione superiori a 1.000 MPa che non possono essere ottenute attraverso la formatura a freddo senza catastrofici ritorni elastici o fratture. Nel processo HPF diretto, un grezzo di acciaio al boro 22MnB5 viene riscaldato a circa 900–950°C (sopra la temperatura di austenitizzazione), trasferito in uno stampo raffreddato ad acqua, formato in condizioni austenitiche morbide e quindi raffreddato nello stampo chiuso a una velocità di raffreddamento controllata superiore a 27°C/secondo per ottenere una microstruttura completamente martensitica con resistenza alla trazione di 1.500–1.600 MPa nella parte finita.

Le implicazioni per l’infrastruttura di produzione di parti stampate automobilistiche sono sostanziali. L'HPF richiede forni a suola a rulli in grado di riscaldare i pezzi grezzi in modo uniforme entro ±10°C dalla temperatura di austenitizzazione target, sistemi di trasferimento che spostano il pezzo grezzo caldo dal forno alla pressa in meno di 7 secondi per evitare un calo eccessivo della temperatura, stampi raffreddati ad acqua con layout dei canali di raffreddamento progettati con precisione che raggiungono la velocità di raffreddamento richiesta in modo uniforme su tutta la superficie del pezzo e controlli della pressa che mantengono la pressione di chiusura dello stampo durante il ciclo di raffreddamento - in genere 10-20 secondi - anziché aprirsi immediatamente dopo la formatura. L’investimento in questa infrastruttura è di un ordine di grandezza superiore a quello di una linea di stampaggio a freddo convenzionale di dimensioni equivalenti, ma è l’unico processo che produce in modo affidabile i componenti con resistenza alla trazione di 1.500 MPa richiesti dalle moderne strutture di sicurezza dei veicoli in luoghi critici per le intrusioni.

Per i produttori di parti stampate per autoveicoli che affrontano la transizione verso AHSS e HPF, la realtà operativa chiave è che la conoscenza dei materiali, la capacità di simulazione, gli investimenti in attrezzature e la tecnologia di stampa devono progredire insieme. Aggiornare un elemento isolato, ad esempio passando ad AHSS senza aggiornare i materiali dello stampo o il tonnellaggio della pressa, produce costantemente risultati deludenti in termini di durata dello stampo, qualità delle parti e stabilità della produzione. I produttori che hanno padroneggiato la produzione di componenti per stampaggio automobilistico AHSS trattano la selezione dei materiali, la simulazione della formatura, la progettazione degli stampi, il trattamento superficiale e la programmazione della pressa come un sistema ingegneristico integrato piuttosto che una sequenza di decisioni indipendenti.