Characteristic values of high-strength steel with customised properties Header graphic

以应用为导向选择尖端钢材

对于许多应用,传统的根据材料的主要性能来选择材料的方式并不能充分满足其要求。这是因为即使钢材料的性能相似,如抗拉强度相同,但在细节方面,尤其是在加工性能方面,也可能会有很大差异。对于高强度材料来说尤其如此。相同拉伸强度的高强度材料呈现的可焊性、弯曲性或各向同性可能会差异很大。因此,以应用为导向选择尖端钢材可以充分利用材料潜力,而在产品开发流程之初选择威尔斯为材料供应商可以实现这一点。因此以这种方式开发特殊性能的材料既能够满足最终应用,而且能够适应客户制造流程。

时间和灵活度是当今产品开发的关键因素。威尔斯材料技术部的 Michael Hellmann 博士说:“短的产品生命周期会增加价值链从钢生产、带钢生产到最终产品生产的所有阶段的压力。”鉴于这一事实,在价值链各个阶段中,对于具备定制性能以满足最终应用和制造流程方面的要求的材料的需求越来越大。这需要工程团队和材料供应商在产品开发初期开展紧密合作。

不仅仅是传统材料的性能

在选择材料时,人们通常把重点放在弹力、耐磨性、耐腐蚀性、磁化性能或强度重量比等传统性能上。Hellmann 博士解释了为什么这种方法在许多项目中经常失败:“传统的材料性能实际上只是冰山一角。这些因素是被视为直接相关的因素。然而,这些核心性能往往掩盖了其他需求,而这些需求中有些在发展阶段直接变得更为重要,但有时在大规模生产开始后也间接变得更为重要。”为了准确识别上述因素并相应定制化材料,威尔斯开发了一个三步程序:

  1. 开发项目
  2. 工艺特性
  3. 系列测试

1.开发项目:早期参与有助于提高灵活度

开发项目通常从应用程序所必需的一般性能开始。这些性能只能涵盖一部分可能适合的材料,如图 1 所示延伸率与抗拉强度函数关系图所示。Hellmann 博士说:“该图表介绍了我们能够提供在延伸率为 10-60% 的情况下屈服强度和抗拉强度为 150-1700 兆帕的材料的范围。威尔斯一共可以提供 280 种不同材料 。”但是,在此情况下,材料性能的重叠之处对于我们特别重要。结果表明,一些材料的的屈服强度和抗拉强度的范围相同。这意味着我们需要查看更多的性能来区分它们。Hellmann 博士说:“我们在这里有巨大的潜力,可以在选择材料时考虑到其他因素,从而完美地满足所有需求。”材料供应商越早参与开发过程,制造商通过这种整体方法获得的灵活性和自由度就越大。

材料范围

图 1:延伸率与强度函数关系图

2. 计划工艺特性和重现性

弹簧钢 为例:制造弹簧时,弹簧钢通常采用复杂的多级冲压/弯曲工艺形成。Hellmann 博士说:“由于工装安排复杂,制造商无法使用工艺技术让他们对材料性能变化做出反应。这使得工艺特性的可预测和重现性有保证更加重要。”为实现这一点,威尔斯在一个需要严密复制最终生产工艺的过程中测试了不同的材料和实施理念。“对于弹簧钢,对回弹行为进行分析的折弯测试被证明能够很好地显示相关材料性能(见图2“回弹”,实验设置见左侧)。我们对不同生产批次进行了这一材料测试,并在钢卷芯的整个长度上进行了随机取样检查,”材料工程师解释说。在右边的图2中,我们看到了两种材料的回弹行为——两种材料的样品的散布范围都非常窄。这确保了工艺特性可预测,并具备高度重现性。

回弹行为的测定

图 2:折弯测试装置示意图

图 3:回弹行为散布范围很窄的两种材料的示例

3. 批量生产中的性能组合优化

第三步侧重于评估批量生产的一致性。Hellmann 博士说:“当材料用于大规模生产时,我们将检查每个线圈的长度和宽度的公差一致性。在此过程中,我们高度灵敏的测量设备甚至可以检测到参数向公差极限方向移动但仍离公差极限很远的情况。这让我们能够在很早的阶段对流程进行微调。”结合对机械性能的大量分析以及对整个钢卷长度的统计测试,这样能够保证批量生产的质量,并尽早发现潜在的改进之处。“无论是在开发阶段还是在批量生产中,我们的综合测试技术都具有非常大的优势。我们的实验室能够使用扫描电子显微镜进行从宏观检查到微观测试的所有基本测试。”

分析集成到批量生产

图 4:在生产过程中对一条冷轧生产线的连续带钢的厚度进行分析的示例

图 5:
左:对微合金高强度钢卷芯全长进行的机械性能分析的结果
右:材料机械性能的长期 CAQ 统计分析

成功的开发合作关系

Hellmann 博士说:“在过去十年里,定制化材料在威尔斯的占比几乎提高了两倍。其中85%以上是我们直接与客户合作开发的。”高度协作的开发合作关系带来了能够完全满足各个客户从流程到应用的所有需求的材料解决方案,从而在流程中创造真正价值。Hellmann博士说:“我们的客户开发突破性产品,用他们的想法为我们提供启发。我们使用我们的材料专业知识来帮助他们将这些想法变为现实。由于我们在四大洲都设有分支机构 ,因此我们可以在全球客户需要的地方,即在客户当地,提供材料专业知识。”