Nowoczesne stale w motoryzacji – od mikrostruktury do napraw blacharsko-lakierniczych
creativeneko/stock.adobe.comStal jest jednym z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych wykorzystywanych w przemyśle motoryzacyjnym. Jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami obrabialny cieplnie i przerobiony plastycznie. W stali występują dodatki pierwiastków stopowych takich jak mangan, chrom, nikiel, molibden, krzem, tytan i innych. Dobór tych składników, a także sposób obróbki cieplnej i plastycznej wpływa na strukturę stali, a tym samym na jej właściwości mechaniczne, technologiczne i fizykochemiczne.
Właściwości stali – takie jak:
- wytrzymałość,
- plastyczność,
- twardość
- czy odporność na pękanie i korozję –
są bezpośrednio związane z jej strukturą, czyli budową wewnętrzną materiału w skali mikro i makro.
Strukturę stali można opisać jako:
- sposób rozmieszczenia faz metalicznych i niemetalicznych,
- wielkość i kształt ziaren
- oraz obecność różnego rodzaju wydzieleń i granic między nimi.
W zależności od składu chemicznego oraz zastosowanej technologii wytwarzania i obróbki cieplno-plastycznej, w stali mogą występować różne typy struktur, takie jak:
- ferrytyczna,
- perlityczna,
- bainityczna,
- martenzytyczna
- czy austenityczna.
Każdy z tych typów struktury charakteryzuje się odmiennym układem sieci krystalicznej i innymi właściwościami. Struktura ferrytyczna np. zapewnia wysoką plastyczność oraz dobrą spawalność, natomiast martenzytyczna – dużą twardość i odporność na ścieranie.
Austenit, stabilny w wysokiej temperaturze, odznacza się bardzo dobrą ciągliwością i odpornością na korozję, dlatego znajduje zastoso-wanie w stalach nierdzewnych. Z kolei bainit stanowi kompromis między twardością martenzytu, a plastycznością perlitu, co czyni go szczególnie cennym w nowoczesnych stalach o wysokiej wytrzymałości (AHSS – Advanced High Strength Steels).
Współczesna inżynieria materiałowa umożliwia świadome kształtowanie struktury stali poprzez odpowiedni dobór składu chemicznego, procesów walcowania, chłodzenia, hartowania i odpuszczania. To właśnie precyzyjne sterowanie tymi parametrami pozwala uzyskać materiały o pożądanych właściwościach mechanicznych przy zachowaniu niskiej masy i wysokiego bezpieczeństwa użytkowania – cech kluczowych dla współczesnych konstrukcji nadwozi samochodowych.
Rozwój nowoczesnych gatunków stali dwufazowych (DP), TRIP, TWIP czy martenzytycznych, umożliwia projektowanie lekkich i jednocześnie bardzo wytrzymałych konstrukcji karoserii. Stanowią one odpowiedź przemysłu na rosnące wymagania dotyczące redukcji masy pojazdu, emisji CO₂ i zwiększenia bezpieczeństwa biernego pasażerów [1, 2].
Rodzaje nowoczesnych stali stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym
Obecnie nowoczesne nadwozia samochodów osobowych (tzw. BIW – body-in-white) są konstrukcjami hybrydowymi, łączącymi różne gatunki stali (od miękkich IF po ultrawytrzymałe PHS), tak aby uzyskać optymalne połączenie bezpieczeństwa, sztywności i niskiej masy.
Dobór materiału do danego elementu zależy od:
- wymaganej nośności i pochłaniania energii w razie zderzenia,
- możliwości formowania i spawania,
- kosztu produkcji,
- wymogów projektowych producenta (OEM).
Dobór materiału zależy od:
- wymagań konstrukcyjnych,
- zdolności pochłaniania energii,
- możliwości formowania,
- spawania oraz kosztów produkcji [3].
Współczesny przemysł motoryzacyjny stawia przed konstruktorami coraz większe wymagania dotyczące zarówno redukcji masy pojazdu, jak i zwiększenia bezpieczeństwa oraz efektywności energetycznej. Realizacja tych celów wymaga stosowania materiałów o wysokim stosunku wytrzymałości do masy, które jednocześnie zachowują odpowiednią zdolność do odkształceń podczas formowania elementów nadwozia.
Odpowiedzią na te potrzeby są nowoczesne gatunki stali o podwyższonej oraz ultrawysokiej wytrzymałości, określane zbiorczo jako AHSS (Advanced High Strength Steels) oraz UHSS (Ultra High Strength Steels) [4]. Stale klasy AHSS obejmują kilka grup materiałów różniących się składem chemicznym i mikrostrukturą.
Do najczęściej stosowanych należą:
- stale dwufazowe (DP – Dual Phase), charakteryzujące się mieszaną strukturą ferrytu i martenzytu, łączące wysoką granicę plastyczności z dobrą ciągliwością,
- stale TRIP (Transformation Induced Plasticity), wykorzystujące efekt przemiany austenitu w martenzyt podczas odkształcenia plastycznego, co zapewnia im doskonałą kombinację wytrzymałości i plastyczności,
- stale CP (Complex Phase) o złożonej mikrostrukturze bainityczno-martenzytycznej, stosowane w elementach o wysokich wymaganiach wytrzymałościowych,
- stale TWIP (Twinning Induced Plasticity), w których dominującym mechanizmem odkształcenia jest bliźniakowanie, pozwalające uzyskać bardzo wysoką plastyczność przy dużej wytrzymałości.
Z kolei stale klasy UHSS obejmują m.in. stale borowe i martensytyczne, które dzięki hartowaniu po formowaniu osiągają wytrzymałość przekraczającą 1500 MPa. Wykorzystuje się je przede wszystkim w elementach wymagających najwyższej odporności na zginanie i uderzenia, takich jak:
- belki zderzakowe,
- wzmocnienia progów
- czy słupki bezpieczeństwa.
W tabeli 1 przedstawiono zestawienie najważniejszych grup stali stosowanych w motoryzacji. Zastosowanie stali z grupy AHSS umożliwia redukcję masy pojazdu o 20–30% przy zachowaniu lub poprawie parametrów bezpieczeństwa biernego.
Dla przykładu: stal DP780 wykorzystywana jest w progach i podłużnicach, natomiast stal PHS 22MnB5 – w słupkach A/B i obręczach drzwiowych [5]. W pojazdach klasy premium udział stali o podwyższonej wytrzymałości sięga obecnie 60–70% masy BIW.
| RODZAJ STALI | TYPOWA WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE (MPa) | MIKROSTRUKTURA | CHARAKTERYSTYKA | TYPOWE ZASTOSOWANIE |
|---|---|---|---|---|
| STAL MIĘKKA (IF, BH) | 200–300 | Ferryt | Bardzo dobra podatność na tłoczenie, gładka powierzchnia | Poszycia zewnętrzne: drzwi, błotniki, maski |
| HSLA (HIGH STRENGTH LOW ALLOY) | 400–600 | Ferryt + drobne wydzielenia | Dobra spawalność i średnia wytrzymałość | Podłoga, poprzeczki, wzmocnienia |
| DP (DUAL PHASE) | 600–1000 | Ferryt + martensyt | Wysoka wytrzymałość przy dobrej ciągliwości | Progi, podłużnice, słupki A i B |
| TRIP (TRANSFORMATION INDUCED PLASTICITY) | 700–900 | Ferryt + austenit szczątkowy + bainit | Bardzo dobra zdolność pochłaniania energii, wysoka plastyczność | Strefy zgniotu, poprzeczki, elementy podłogi |
| CP (COMPLEX PHASE) | 800–1200 | Ferryt + bainit + martensyt | Wysoka wytrzymałość, ograniczona plastyczność | Wzmocnienia boczne, belki progowe |
| MARTENSYTYCZNA (MS) | 1300–1800 | Martensyt | Bardzo wysoka wytrzymałość, niska podatność na odkształcenia | Belki drzwiowe, zderzaki, słupki środkowe |
| PHS (PRESS HARDENED STEEL, 22MnB5) | do 1500 | Martensyt (po hartowaniu w tłoczniku) | Wysoka dokładność kształtu i odporność na uderzenia | Słupki A/B, dach, tunel środkowy, pierścienie drzwiowe |
| TWIP (TWINNING INDUCED PLASTICITY) | 600–1100 | Austenit | Bardzo duża ciągliwość, silne umocnienie odkształceniowe | Eksperymentalne — strefy kontrolowanego zgniotu |
| 3. GENERACJA AHSS (NP. QP980, QP1180) | 980–1180 | Ferryt + martensyt + austenit szczątkowy | Połączenie wysokiej wytrzymałości i dobrej plastyczności | Poprzeczki, progi, słupki, elementy stref zgniotu |
Tabela 1. Rodzaje, właściwości i przykłady zastosowań nowoczesnych stali w konstrukcji nadwozi pojazdów.
W konstrukcji nadwozi współczesnych pojazdów dominują stale dwufazowe (DP), które stanowią około 30% masy struktury BIW. Znaczący udział mają także stale PHS i martenzytyczne (18%), stosowane w newralgicznych elementach bezpieczeństwa, takich jak słupki A/B czy dach.
Stale HSLA (15%) oraz TRIP (12%) odpowiadają za wzmocnienia i strefy zgniotu, natomiast miękkie stale IF/BH (12%) nadal wykorzystywane są w poszyciach zewnętrznych ze względu na doskonałą tłoczność i jakość powierzchni. Nowe generacje stali AHSS (QP, TWIP) stanowią ok. 7% udziału, co potwierdza ich rosnące znaczenie w lekkich i bezpiecznych konstrukcjach samochodowych [6-16].
Stal TRIP i TWIP – właściwości, mikrostruktura i mechanizmy przemian
Nowoczesne stale stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, określane jako AHSS (Advanced High Strength Steels), zawdzięczają swoje unikalne właściwości mikrostrukturom kształtowanym w sposób kontrolowany. Wśród nich szczególne miejsce zajmują stal TRIP (Transformation Induced Plasticity) oraz TWIP (Twinning Induced Plasticity), które reprezentują 2 odmienne, lecz komplementarne mechanizmy umocnienia materiału w trakcie odkształcenia plastycznego. Dzięki nim uzyskuje się rzadko spotykane połączenie wysokiej wytrzymałości z bardzo dużą plastycznością, co czyni te stale wyjątkowo atrakcyjnymi dla konstrukcji elementów nadwozia pochłaniających energię zderzenia [1, 6-8].
Stal TRIP (Transformation-Induced Plasticity)
Stal TRIP ma mikrostrukturę wielofazową: ferryt + bainit + austenit szczątkowy. Ferryt zapewnia formowalność, bainit – nośność i odporność na odkształcenie trwałe, a metastabilny austenit jest nośnikiem efektu TRIP.
Typowe wytrzymałości na rozciąganie mieszczą się w przedziale 700–900 MPa, przy wydłużeniach 30–40% (w zależności od składu i obróbki) [1–3]. W praktyce przemysłowej stabilność austenitu reguluje się m.in. zawartością C (≈0,2–0,4%), Mn (≈1,5–2%) oraz dodatkiem Si lub Al, które hamują wydzielanie cementytu, sprzyjając utrzymaniu austenitu w stanie metastabilnym [1, 6, 8]. W temperaturze pokojowej podczas odkształcenia plastycznego następuje przemiana austenitu szczątkowego (γ) w martenzyt odkształceniowy (α′).
Zjawisko to:
- jest inicjowane lokalnymi naprężeniami ścinającymi i koncentracją odkształcenia,
- przebiega najintensywniej przy odkształceniach właściwych rzędu ε ≈ 0,05–0,25,
- generuje dynamiczne umocnienie przemianowe – przyrost granicy plastyczności i odporności na lokalizację odkształcenia [6–8].
W konsekwencji stal „wzmacnia się w trakcie formowania”, nie tracąc zdolności do dalszej deformacji. Ta synergia własności (wysoka wytrzymałość + duża odkształcalność) czyni TRIP materiałem preferowanym w strefach zgniotu, poprzeczkach i elementach podłogi pojazdu [7, 8]. Zastosowania te są też odnotowane w materiale źródłowym artykułu (TRIP – strefy zgniotu, poprzeczki, elementy podłogi).
Stal TWIP (Twinning-Induced Plasticity)
Stal TWIP należy do grupy austenitycznych stali wysokomanganowych, zawierających 15–30% Mn, często z dodatkami Al, Si lub C. Ich mikrostruktura jest całkowicie austenityczna w temperaturze pokojowej, a więc pozbawiona faz metastabilnych. Zakres wytrzymałości na rozciąganie wynosi 600–1100 MPa, przy jednoczesnym wydłużeniu dochodzącym nawet do 60–70%.
Dzięki tak wysokiej ciągliwości i zdolności do pochłaniania energii, stal TWIP jest uważana za jedną z najbardziej perspektywicznych materiałów dla przyszłych, ultrabezpiecznych konstrukcji karoserii, choć ze względu na wysoką zawartość manganu i koszty wytwarzania pozostają na etapie rozwoju przemysłowego (projekty pilotażowe i segment premium), ale pozostaje kluczowym kandydatem dla 3. generacji AHSS w elementach, gdzie premiuje się wysoką odkształcalność i odporność na pękanie [1, 6, 7].
Rys. 1. Szacunkowy rozkład klas stali w konstrukcji nadwozia typu BIW (Body-in-White) w 2024 r. opracowanie własne na podstawie danych literaturowych [6-16].
Nowoczesne stale, a procesy napraw blacharsko-lakierniczych
Wysokowytrzymałe stale wprowadzają nowe wyzwania dla warsztatów naprawczych. W tradycyjnych stalach konstrukcyjnych dopuszczalne było wielokrotne prostowanie, podgrzewanie czy spawanie bez istotnej utraty właściwości. Nowoczesne stale charakteryzują się wysokim stopniem złożoności mikrostrukturalnej, która determinuje ich zachowanie w trakcie obróbki mechanicznej i cieplnej.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
W odróżnieniu od konwencjonalnych gatunków, stale z grupy AHSS i PHS wykazują znaczną wrażliwość na lokalne zmiany temperatury oraz koncentracje odkształceń. Z tego względu każdy typ stali wymaga indywidualnego podejścia technologicznego [17].
Z tego względu każdy typ stali wymaga indywidualnego podejścia technologicznego.
- Stale HSLA (High Strength Low Alloy) – o wytrzymałości rzędu 300–600 MPa, umożliwiają ograniczone prostowanie oraz spawanie metodą MIG/MAG przy ścisłej kontroli temperatury międzywarstwowej [18, 19].
- Stale DP (Dual Phase) – osiągające 600–1000 MPa; posiadają ograniczoną podatność na odkształcenia plastyczne i nie tolerują lokalnego nagrzewania.
- Stale TRIP (Transformation Induced Plasticity) – charakteryzują się przemianą austenitu szczątkowego w martenzyt podczas odkształcenia; utrata efektu TRIP następuje już przy temperaturach powyżej 180–200°C [6–8].
- Stale CP (Complex Phase) – o bardzo wysokiej granicy plastyczności; ich naprawa wymaga stosowania klejenia strukturalnego lub wymiany elementów.
- Stale PHS (Press Hardened Steels) – o twardości przekraczającej 1300–1800 MPa, wytwarzane poprzez hartowanie w tłoczniku (22MnB5); nie dopuszczają prostowania, spawania ani miejscowych napraw termicznych [10, 18, 20–22].
Każde przekroczenie dopuszczalnych wartości temperatury, siły odkształcenia czy niewłaściwa metoda łączenia może skutkować lokalnym obniżeniem wytrzymałości nawet o 30–50%, co bezpośrednio wpływa na zachowanie konstrukcji w czasie zderzenia [19, 20]. Pierwszym etapem naprawy nadwozia wykonanego z nowoczesnych stali jest dokładna identyfikacja materiału oraz określenie stopnia jego deformacji.
Producenci pojazdów, tacy jak BMW, Toyota, Volvo czy Volkswagen, udostępniają szczegółowe mapy materiałowe nadwozi (Steel Body Maps), które stanowią podstawę doboru właściwej technologii naprawy [18–22].
W procesie diagnostyki wykorzystuje się m.in.
- pomiar grubości blach i twardości powierzchni (metody mikroindentacji),
- analizę stref odkształcenia za pomocą ram pomiarowych 3D,
- ocenę struktury i rodzaju powłok ochronnych (np. cynkowych lub Al–Si).
Prawidłowa identyfikacja gatunku stali pozwala określić, czy element może zostać naprawiony, czy wymaga całkowitej wymiany. W praktyce większość elementów wykonanych ze stali PHS, TRIP i CP jest kwalifikowana do wymiany, a nie do prostowania.
Prostowanie i obróbka mechaniczna
Stale AHSS wykazują ograniczoną zdolność do odkształceń sprężysto–plastycznych, dlatego ich prostowanie musi być prowadzone na zimno, przy minimalnym przyroście odkształcenia. Zabronione jest stosowanie lokalnego nagrzewania palnikiem lub indukcją.
Dozwolone są natomiast:
- kontrolowane prostowanie z wykorzystaniem ram naprawczych z pomiarem siły ciągnącej,
- korekcja kształtu bez przekroczenia granicy plastyczności,
- stosowanie narzędzi o miękkich końcówkach (np. tworzywo, guma).
W przypadku elementów PHS obowiązuje zasada „repair by replacement” – czyli naprawa poprzez wymianę [18, 20]. Elementy PHS są zastępowane nowymi, gdyż po odkształceniu nie ma możliwości ich przywrócenia do pierwotnych właściwości. Wymaga to stosowania fabrycznych punktów cięcia i zgrzewania zgodnie z dokumentacją producenta pojazdu.
Niewłaściwe wykonanie napraw elementów wykonanych z nowoczesnych stali może prowadzić do drastycznego spadku zdolności pochłaniania energii w strefach zgniotu. Badania Thatcham Research (2023) wykazały, że elementy PHS po nieautoryzowanym spawaniu tracą nawet do 50% zdolności absorpcji energii zderzenia.
Z tego względu wszystkie naprawy nadwozi z użyciem AHSS powinny być prowadzone zgodnie z dokumentacją OEM, a warsztaty naprawcze muszą posiadać:
- certyfikowane urządzenia zgrzewające i systemy pomiarowe,
- dostęp do aktualnych instrukcji napraw (Body Repair Manual),
- system rejestracji procesów (temperatura, metoda łączenia, materiały eksploatacyjne).
Zachowanie wymagań producenta jest niezbędne, aby utrzymać pierwotne parametry bezpieczeństwa pojazdu i zachować jego homologację.
Tabela 2. Zalecenia naprawcze dla wybranych klas stali AHSS [20-23].
| GATUNEK | DOPUSZCZALNE PROSTOWANIE | DOPUSZCZALNE SPAWANIE | MAKS. TEMPERATURA PODGRZANIA | UWAGI |
|---|---|---|---|---|
| IF / BH | Tak | Tak | 600°C | Bez ograniczeń |
| HSLA | Tak (umiarkowanie) | — | 450°C | Możliwość lokalnej naprawy |
| DP / TRIP | Ograniczone | Tak, kontrola strefy wpływu ciepła | 250°C | Ryzyko obniżenia Re |
| CP / MS | Nie | Tak (zgrzewanie) | 200°C | Utrata twardości |
| PHS (22MnB5) | Nie | Tak (punktowo) | 180–200°C | Tylko wymiana |
Podsumowanie
Zastosowanie nowoczesnych gatunków stali w konstrukcjach nadwozi pozwala nie tylko ograniczyć masę pojazdu nawet o 20–30%, ale także zwiększyć sztywność i zdolność do pochłaniania energii podczas kolizji. Dodatkowym atutem jest ich pełen recykling i możliwość wykorzystania w istniejących liniach produkcyjnych, co czyni je rozwiązaniem korzystnym zarówno technologicznie, jak i ekologicznie.
W rezultacie stal, mimo rosnącej konkurencji ze strony stopów metali lekkich (aluminium i magnezu) i materiałów kompozytowych, wciąż pozostaje podstawowym materiałem konstrukcyjnym współczesnych nadwozi samochodowych. Rozwój stali oparty na zaawansowanej inżynierii materiałowej oraz nowoczesnych technologiach przetwarzania stanowi kierunek do osiągnięcia zrównoważonej i bezpiecznej mobilności przyszłości.
Zastosowanie tak zaawansowanych materiałów wymusiło opracowanie nowych procedur napraw powypadkowych. Tradycyjne metody – prostowanie termiczne, spawanie łukowe czy lakierowanie w wysokich temperaturach – są obecnie w większości przypadków niedopuszczalne.
Nowoczesne procesy napraw blacharsko-lakierniczych muszą być prowadzone z uwzględnieniem:
- ograniczeń temperatury,
- rodzaju mikrostruktury
- oraz technologii łączenia.
Pod względem bezpieczeństwa oraz homologacji pojazdu naprawy z użyciem nowoczesnych stali wymagają bezwzględnego przestrzegania procedur producenta pojazdu.
W tym kontekście naprawy nadwozi ze stali AHSS stają się dziedziną łączącą inżynierię materiałową, wiedzę technologiczną oraz precyzyjną kontrolę procesów serwisowych – jest to warunek niezbędny dla zachowania bezpieczeństwa, trwałości i jakości współczesnych pojazdów.
Artykuł został przygotowany przez ekspertów ze Stowarzyszenia Rzeczoznawców Motoryzacyjnych i Maszynowych oraz Biegłych POLEKSMOT. Członkowie Stowarzyszenia stanowią grupę specjalistów w dziedzinach związanych z motoryzacją, budową oraz eksploatacją maszyn i urządzeń, a także szeroko rozumianą inżynierią materiałową. Więcej informacji o Stowarzyszeniu można znaleźć na stronie: poleksmot.pl.
