Dual-phase staal: Hoogwaardig automobiel staal

In de zoektocht naar materiaalconcepten met goede vervormbaarheid bij hoge sterkte, ontwikkelden metallurgen staal met een twee-fasen microstructuur, waarbij de vervormbaarheid wordt verkregen door zacht ferriet waarin harde martensiet eilanden gebed zijn die zorgen voor een hoge sterkte. Het dual-phase staal heeft bij een gegeven strekgrens een veel hogere treksterkte dan conventioneel staal. De sterkte wordt gevormd door deformatieversteviging en bake-hardening oftewel precipitatieharden. Door de bake-hardening neemt de sterkte toe na plastische vervorming. Deze twee mechanismen creëren hoge sterkte door plastische vervorming gevolgd door precipitatieharden (tegelijk met de lakuitharding) in de lakoven.

Dual-phase staal (DPstaal)

Uitgangsmateriaal van Dual-phase staal (DP staal) is staal met een laag koolstofgehalte en meestal laaggelegeerd met mangaan, chroom en silicium. Afgeschrikt van een temperatuur boven A1 en onder A3 van het ijzerkoolstof diagram. DP staal is een staal met een microstructuur van harde martensiet eilanden in een relatief zacht ferriet matrix. Door het variëren van het martensiet aandeel ontstaat een reeks DP stalen met verschillende mechanische eigenschappen. Dual-phase staal is in de Europese Norm EN 10346 vastgelegd en moet niet verward worden met Duplexstaal.

Vervaardiging Dual-phase staal

DP staal wordt vervaardigd door gecontroleerde afkoeling vanaf de twee-fasen gebied van ferriet en austeniet. Het grootste deel van het austeniet wordt bij afkoelen omgezet in ferriet en de restausteniet in martensiet, zo ontstaat een matrix van zachte ferriet waarin ingebed eilanden van harde martensiet. Het aandeel martensiet ligt, afhankelijk van de gewenste mechanische eigenschappen van het DP staal, tussen 10 en 30%. De plastische verlenging creëert staal met een hogere treksterkte dan conventioneel staal met dezelfde strekgrens. DP staal is metallurgisch een compromis tussen sterkte en plastische vervormbaarheid, waarbij de volledige sterkte pas aan het eind van de bewerkingen aanwezig is. Een ideaal staal voor de automobielindustrie, namelijk lage sterkte dus prima bewerkbaar tijdens productie en een aanmerkelijk hogere sterkte in gebruik.

Mechanische eigenschappen van DP staal

Gemeten aan dunne plaat in walsrichting. Oventemperatuur 170C.

Chemische samenstelling van DP staal in gewichtsprocenten

Bake-Hardening van dual-phase staal

Precitatieharden of uitscheidingsharden, ook bekend als verouderen, ageing, of agehardening, is de laatste stap in een productie proces van een gelakt stalen onderdeel. Het staal wordt door de staalfabrikant oplosgegloeid geleverd om de onregelmatigheden zoals uitscheidingen die ontstaan tijdens het walsen op te lossen. In deze oplosgegloeide toestand is het staal uitstekend te bewerken door verspanen en door plastische vormgeving. Door bewerkingen van de carroserie onderdelen ontstaan inwendige spanningen en nieuwe dislocaties. De opgeloste elementen in het ijzerrooster staan onder grote druk en willen uitgescheiden worden naar dislocaties en korrelgrenzen waar ze meer ruimte hebben. Na de bewerkingen wordt het onderdeel gelakt in de lakoven en en wegens de laktemperatuur tegelijk gehard door uitscheidingsharden door vorming van carbiden en intermetallische verbindingen.die de beweging van de atomen bij deformatie belemmert.
Deformatie lijnen op een carrosserie
Een van de problemen van het persen van een auto carrosserie is het ontstaan van deformatie lijnen op het oppervlak, veroorzaakt door hardere uitscheidingen in het materiaal. Relatief zacht bij vervorming en sterk als eindproduct is uiteraard ideaal en dat wordt dus bij dual- phase staal bereikt door uitharden van het dual- phase staal na de plastische vervorming (persen en dieptrekken) en is mede de essentie van het staal.

Harden oftewel versteviging door plastische deformatie

De diffusiesnelheid hangt af van de temperatuur. Met toenemende temperatuur migreren de koolstof atomen gemakkelijker en dus sneller door het kristalrooster. Temperaturen tussen 170-200 ° C zijn voldoende om precipitatieharden te doen plaatsvinden, waardoor de sterkte na deformatieharden met meer dan 20 % stijgt.

Het diffunderen van koolstof- en stikstof atomen naar en in dislocaties en de toename van aantal dislocaties tijdens plastische deformatie, belemmeren de beweging van de dislocatie-atomen die de deformatie van het staal mogelijk maken. De bewerkingskracht (treksterkte) neemt dus toe tijdens de plastische vormgeving.

De essentie van het Dual-phase staal als automobielstaal

De essentie van DP staal is een laag koolstofstaal als uitgangsmateriaal dat door zijn lage strekgrens uitstekend te bewerken is en dat tijdens plastische vormgeving door deformatieversteviging de sterkte toeneemt. Na het bewerken volgt uitscheidingsharden. Het aanvankelijk relatief zachte staal is uitstekend bewerkbaar, het eindproduct echter heeft door de beide hardheidsmechanismen in de loop van het productieproces een veel hogere sterkte.

Het aandeel martensiet ligt tussen 10 en 30%. Een hogere martensiet aandeel levert een hogere sterkte op maar de breukrek (taaiheid) neemt af. Delen van de automobiel kunnen uit plaatmetaal worden gemaakt, dunner dan voorheen. De motorkap van een auto, die in plaats van de gebruikelijke 0,7 millimeter, slechts 0,43 millimeter dik wordt, een grote gewichtsbesparing. Het staal heeft niet alleen unieke mechanische eigenschappen, maar is bij uitstek geschikt voor weerstandlassen, zoals puntlassen, wat voor de automobielindustrie uiteraard een voorwaarde is.