В связи с растущим спросом на безопасность и энергосбережение в автомобильной промышленности все больше деталей с горячей штамповкой используются для снижения веса автомобиля и повышения их ударопрочности. Детали, произведенные методом горячей штамповки с полностью мартенситной микроструктурой, обладают высокой прочностью на сжатие, но низкой на растяжение, что не удовлетворяет требованиям одновременно высокой прочности и пластичности. Процесс закалки и разделения, который, в свое время, был предложен Шпеером, в настоящее время активно исследуется, чтобы заменить прямую закалку при традиционной горячей штамповке на другой процесс с целью улучшения пластичности высокопрочной конструкции после формования.
Обычно процесс закалки и разделения делится на два типа: одношаговый и двухступенчатый. Во время процесса двухэтапного разделения углерод диффундирует из мартенсита в аустенит, что приводит к стабильности остаточного аустенита после окончательного охлаждения до комнатной температуры.
Поэтому горячая штамповка и карбон-разделение может быть объединено для формирования нового типа процесса закалки и разделения горячего тиснения. Детали, изготовленные с использованием этого процесса, обладают мартенсит-аустенитной дуплексной микроструктурой, которая обладает высокой прочностью на растяжение и намного лучшей пластичностью, чем те детали, которые были подвергнуты прямому горячему штампованию.
Существует модель «ограниченного углеродного равновесия» для описания диффузии углерода из мартенсита в аустенит во время процесса закалки и разделения. Такая модель имеет большое значение для развития моделирования диффузии углерода, предполагая, что граница раздела мартенсит-аустенит неподвижна. Однако существуют экспериментальные наблюдения, доказывающие подвижность этой границы.
Миграция границы раздела приводит к чистому увеличению объемной доли мартенсита, что соответствует расширению материала во время отжига. Такое расширение было зарегистрировано во многих экспериментах по дилатометрии на базе низкоуглеродистых сталей. Небольшое количество марганца распределяется из мартенсита в аустенит, скорее всего, на этапе разделения. Это может быть объяснено двумя механизмами: разделением Mn от мартенсита до аустенита (процесс с гораздо более медленной кинетикой по сравнению с процессом разделения углерода) или перенесения растворенного вещества из-за движения границы раздела во время этапа разделения.
Кроме того, как двумерное, так и трехмерное микро-моделирование было выполнено с использованием метода фазового поля для количественной оценки миграции границы раздела и диффузии углерода. В последние десятилетия, много внимания уделялось выявлению лучших условий процесса закалки и разделения.
Но есть проблема. Многие эксперименты по разделению проводились в идеальных условиях, таких как в соляной ванне, и температура разделения считалась квазистатической. Однако очень трудно применять метод соляной ванны в промышленных условиях. Как только процесс закалки и разделения горячего тиснения применяется в реальной автомобильной промышленности - сложные детали подвергаются горячей штамповке и закалке в штампах, а не в соляных ваннах, как при экспериментах. Сложная геометрия вызывает несинхронный контакт между матрицей и заготовкой во время горячей штамповки, что становится причиной неоднородной закалки. Кроме того, напряжение, возникающее при штамповке, может влиять на Ms, что также следует учитывать.
Во время разделения используются печи с горячим воздухом по причине снижения затрат и требований к автоматизации в промышленности. Детали нагреваются до заданной температуры посредством конвекции тепла и переноса излучения. Повышением температуры во время разделения нельзя пренебрегать.
Проблема отсутствия синхронного контактирования матрицы и заготовки во время горячей штамповки изучалась на моделях с тепловым расстоянием. Влияние напряжения на Ms было имплантировано в модели закалки, чтобы получить более точную объемную долю остаточного аустенита. Микро-миграция границы раздела, моделирование диффузии углерода и объемной доли остаточного аустенита были объединены в моделирование макро-разделения с использованием подпрограммы, определенной пользователем.
Неравномерная закалка поверхности была вызвана неравномерной температурой и условиями охлаждения во время закалки. Между тем, неоднородность по толщине была вызвана распределением напряжений, которое влияет на Ms. Температура была неоднородной, что повлияет на объемное распределение остаточного аустенита. Более низкая температура закалки и более высокая Ms привели к снижению объема остаточного аустенита. Первые секунды разделения приводят к резкому увеличению содержания углерода в аустените вблизи границы раздела из-за очень высокого начального содержания углерода в мартенсите.
Высокие уровни углерода, обнаруженные в аустените на поверхности, свидетельствуют о том, что нельзя пренебрегать вероятностью осаждения карбидов. Учитывая, что содержание углерода на границе раздела превышает равновесное значение, происходит миграция границы раздела от аустенита до мартенсита. Гомогенизация углерода в аустените приводит к дальнейшему перемещению границы раздела вплоть до установления равновесного содержания углерода в обеих фазах.