JÁRMŰIPARI ANYAGFEJLESZTÉSEK FÉMES ÉS NEM-FÉMES ANYAGOK A JÁRMŰIPARBAN

Átírás

1 V. Észak-Magyarországi Műszaki Értelmiség Napja Miskolc, június 24. JÁRMŰIPARI ANYAGFEJLESZTÉSEK FÉMES ÉS NEM-FÉMES ANYAGOK A JÁRMŰIPARBAN tanszékvezető, egyetemi tanár Mechanikai Technológiai Tanszék Miskolc - Egyetemváros Tartalom Előzmények Bevezetés A fejlesztések fő hajtóerői - Fejlesztési tendenciák az autóiparban Az autóipari követelmények hatása az anyagtudományi fejlesztésekre Anyagtudományi fejlesztések Új korszerű acélanyagok fejlesztése Alumínium és könnyűfémek alkalmazása A több-komponensű (multi-material) koncepció alkalmazása Technológiai fejlesztések - Szemelvények HydroForm alakítás Nagyszilárdságú anyagok melegalakítása Gyors prototípus gyártás a lemezalakításban Új, innovatív eljárások Szerszámfejlesztési irányzatok A Digitális szerszámüzem koncepció Modellezés és számítógépes mérnöki tevékenység Összefoglalás - Következtetések 1 Miskolc, június Miskolc, június 24. Előzmények Autóipari fejlesztési tendenciák A kutatások egy 2012-ben elnyert, 4 intézmény konzorciumi együttműködésében valósul meg A konzorcium vezetője: Mechanikai Technológiai Tanszék A konzorcium tagjai: Széchenyi István Egyetem, Győr Kecskeméti Főiskola, Kecskemét Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft. Az elnyert támogatás összege: Ft A projekt kezdete: január 1. A projekt futamideje: 24 hónap A projekt befejezési határideje: december 31. A fejlesztések motorja a fogyasztói igények a globális autópiaci verseny A fogyasztói követelmények gazdaságosabb biztonságosabb magasabb kényelmi szintű autók Törvényi előírások, kötelezettségek kevesebb káros anyag kibocsátás fokozott környezetvédelem fokozott biztonsági előírások» egyre szigorúbb töréstesztek Több követelmény egyidejű kielégítése tömegcsökkentés kisebb fogyasztás» kevesebb káros anyag kibocsátás környezetvédelem» gazdaságosabb fogyasztói igény Ellentmondó követelmény kisebb tömeg vékonyabb lemezek» fokozott biztonsági előírások» szigorúbb töréstesztek megoldás: növelt szilárdságú anyagok alkalmazása» kedvezőtlen következmény: az alakíthatóság csökkenése 3 Miskolc, június Miskolc, június 24. A fokozódó követelmények kielégítésének lehetőségei Tervezési koncepciók a gyártási volumen függvényében» Új tervezési és gyártási koncepciók» Fokozott rugalmasság modularizáció standardizált gyártási eljárások» Új anyagok és technológiák alkalmazása» Új tervezési módszerek, a Computer Aided Engineering a számítógépes modellezés átfogó alkalmazása» Költség-optimalizált gyártás rövidebb bevezetési/átfutási idők költséghatékony gyártási eljárások alkalmazása kompakt kategória Tervezési koncepció Luxus kategória csővázas kis sorozatú gyártás héjszerkezetű hybrid tervezés Gyártási volumen térbeli keretszerkezetes integrált tervezés tömeggyártás 5 Miskolc, június Miskolc, június 24. 1

2 Anyagfejlesztési tendenciák a lemezalakításban A könnyű súlyú, kis tömegű autók iránti igény által a karosszéria lemezekkel szemben támasztott követelmények Nagyobb szilárdság, egyidejűleg jobb alakíthatóság Kedvezőbb törési jellemzők, jobb ütközés állóság Az autóiparban alkalmazott fő alapanyagcsoportok Hagyományos hidegen hengerelt lemezek Korszerű, nagy szilárdságú acélok (HSS, TRIP, DP, AHSS, X- AHSS, U-AHSS steels) Nem-vas fémek és ötvözeteik» Alumínium ötvözetek» Magnézium ötvözetek» Titán ötvözetek Nemfémes anyagok» Polimerek, műanyagok» Kerámiák» Kompozit anyagok (pl. CFK) 7 Miskolc, június Autóipari hidegen hengerelt lemezek fejlesztése SULC acélok TRIP acélok Izotrópikus acélok Nagyszilárdságú acélok BH acélok DP (dual-phase) acélok Foszfor-ötvözésű acélok Mikro-ötvözésű acélok 22MnB Az utóbbi év fő acélfejlesztési eredményei Mintegy 5 évenként egy-egy új anyagminőség A fokozódó követelmények egyre magasabb szintű kielégítése Növekvő szilárdság, jobb alakíthatóság 8 Miskolc, június 24. Ellentmondásos követelmények: szilárdság - alakíthatóság Hagyományos, kis- és közepes szilárdságú autóipari lemezanyagok Hagyományos lágyacélok Túlnyomórészt ferrites szövetszerkezet Főleg Al-mal megnyugtatott, kiválóan mélyhúzható alapanyagok Évtizedeken át meghatározó szerep Interstíció mentes acélok ultra kis karbon és nitrogén tartalom kis folyási határ, nagy alakváltozási keményedőképesség, jelentős egyenletes és teljes nyúlás lényegesen jobb nyújthatóság: karosszéria alakítás jobb nyújthatóság Festés utáni kiégetés során kiválásosan keményedő acélok Bake Hardening steels az összetétel és a gyártási eljárás összhangja alapvetően jól alakítható ferrites szövetszerkezete a festés utáni kiégetés során oldódási-kiválási mechanizmusok révén jelentős szilárdságnövekedés 9 Miskolc, június Miskolc, június 24. Hagyományos, közepes- és nagyszilárdságú autóipari lemezanyagok I. Hagyományos, közepes- és nagyszilárdságú autóipari lemezanyagok II. Izotropikus acélok IS-acélok mikroszerkezete lényegében ferrites szövetszerkezet különleges acélgyártási technológiájuknak köszönhetően a minden irányban azonosan nagy szilárdsággal rendelkeznek a mélyhúzásnál a fülesedésre jellemző r érték közel nulla Nagyszilárdságú gyengén ötvözött acélok HSLA steels nagy szilárdság (R m = N/mm 2 ), jó alakíthatóság, jó hegeszthetőség, kis átmeneti hőmérséklet, ridegtöréssel szembeni jó ellenállóképesség mindez kis mennyiségű és viszonylag olcsó ötvözőkkel kiváló tulajdonságainak biztosításában kiemelkedő jelentősége van a gyártás optimális termikus-mechanikus rendszerének Kettős-fázisú acélok Dual Phase (DP) Steel ferrit mátrixban kemény martenzit szigetek a ferrit/martenzit arány módosításával a tulajdonságaik tág határok között változtathatók gyártásuk legfontosabb technológiai lépései:» az ún. interkritikus hőmérséklet helyes kiválasztása,»az izzítási időtartam ezen a hőfokon és» az ezt követő lehűtés Jellemző mechanikai tulajdonságaik»r m = 600 MPa»A 80 = 25%»C = R m A 80 = Miskolc, június Miskolc, június 24. 2

3 Hagyományos, közepes- és nagyszilárdságú autóipari lemezanyagok III. DP 350/600, HSLA 350/450 és TRIP 350/600 acélok Fázisátalakulással indukált képlékenység TRIP acélok a TRIP acélok szövetszerkezete» ferrit mátrixba ágyazott legalább 5 térfogatszázalék túlhűtött (maradó) austenit,» különböző arányban jelenlévő nagy keménységű, bainit, illetve martenzit fázisok C=R m A 80 = 15,000-30,000 állandó»r p0.2 = MPA»R m = MPA»A 80 = %. ferrit martenzit bainit maradó austenit Mérnöki feszültség [MPa] DP 350/600 TRIP 350/600 HSLA 350/450 Mérnöki nyúlás [%] 13 Miskolc, június Miskolc, június 24. Autóipari hidegen hengerelt lemezek fejlesztése Nagyszilárdságú acélanyagok melegalakítása Press hardening 22MnB5 SULC acélok TRIP acélok Izotrópikus acélok Nagyszilárdságú acélok BH acélok DP (dual-phase) acélok Foszfor-ötvözésű acélok Mikro-ötvözésű acélok Miskolc, június Miskolc, június 24. A 22MnB5 melegalakító acél jellemzői Új generációs nagyszilárdságú acélok autóipari alkalmazásokhoz Fajlagos nyúlás (A80, %) a) Ferrit-perlites szövetszerkezet szállítási állapotban (N = 100x) b) Melegalakítás és hűtés utáni martenzites szövetszerkezet (N = 1500x) 17 Miskolc, június Miskolc, június 24. 3

4 Új generációs nagyszilárdságú acélok autóipari alkalmazásokhoz SB-TRIP (super-bainites TRIP acél) Extra nagy szilárdságú acélok X-AHSS steels a TRIP acélok továbbfejlesztett változatai C=R m A 80 = 40,000 állandó altípusai» az FB-TRIP (ferrit-bainites TRIP acél) mikroszerkezet: ferrit+bainit kiváló nyújthatóság: ferrit nagy szilárdság: fokozott szemcsefinomítás bainit» az SB-TRIP (super-bainites TRIP acél)» az M-TRIP (martenzites TRIP acél) szövetszerkezet: jellemzően nano-méretű, lemezes típusú, karbidmentes bainit mátrixban kis mennyiségben maradó austenit jellemző mechanikai tulajdonságok nagy folyási határ (R p0.2 = 900 MPa) extra nagy szakítószilárdság (R m = 1600 MPa) kimagaslóan jó fajlagos nyúlás (A 80 = %). 19 Miskolc, június Miskolc, június 24. M-TRIP (martenzites TRIP acél) Ultra-nagyszilárdságú acélok (U-AHSS steels) szokásos összetétel C = 0,15-0,2 %, Si = 1,6 %, Mn = 1,6 %. szövetszerkezet: martenzit mátrixban nano-méretű lemezek közt maradó austenit jellemző mechanikai tulajdonságok nagy folyási határ (R p0.2 = MPa) extra nagy szakítószilárdság (R m = MPa) jó fajlagos nyúlás (A 80 = %). tipikus képviselői az ún. TWIP-acélok Twinning Induced Plasticity (ikerképződéses képlékenység) jellemző összetétel legjellemzőbb adata a nagy (17-24 %) Mn tartalom» ez biztosítja az acél teljesen austenites állapotát szobahőmérsékleten is alakváltozási folyamatát nagyszámú alakítási ikerképződés jellemzi következmény: a pillanatnyi keményedési kitevő extra nagy értéke (n =0,4) ennek oka: az alakítási ikerképződés folytán egyre finomabb és finomabb mikroszerkezet jön létre 21 Miskolc, június Miskolc, június 24. Ultra-nagyszilárdságú acélok (U-AHSS steels) mechanikai tulajdonságok igen nagy szilárdság (R m > 1000 Mpa) szélsőségesen nagy egyenletes nyúlás ( m = 50%)» kiváló nyújthatóság szélsőségesen nagy teljes nyúlás (A 80 =65% ) az előzőkből következően a legnagyobb szilárdság nyúlás állandó C = R m A 80 = 65,000 Nem-vas fémek és nemfémes anyagok alkalmazása Nem-vas fémek Alumínium ötvözetek» alakítható» önthető» kiválásosan keményedő Kis sűrűségű Magnézium ötvözetek» Jellemzően öntött és kovácsolt termékek» Biztató eredmények lemezek o C hőfok tartományban összetett geometriák esetén Különféle Titán ötvözetek Nemfémes anyagok Polimerek Kerámiák Karbonszál erősítéses kompozit anyagok (CFK) Fémhabok 23 Miskolc, június Miskolc, június 24. 4

5 A járműiparban használt legfontosabb alumínium ötvözet típusok Alumínium ötvözetek autóipari alkalmazásának változása Ötvözet típusa Jellemzői Felhasználási területe Alumínium-magnézium nagy szilárdság nagy szilárdság, nagy keménység, jó alakíthatóság, hegeszthetőség, fényesíthetőség, korrózióállóság. jármű- és repülőgép gyártás élelmiszer- és vegyipari berendezések, bútorok, járművek, forgácsolással készített menetes alkatrészek Alumínium-réz-mangán (duralumíniumötvözetek) Alumínium-magnéziumszilícium ötvözet kiváló korrózióállóság, nemesíthetőség távvezetékek, járműfelépítmények, gázpalackok, öntészeti célra pl. motorblokkok, hengerfejek 25 Miskolc, június Miskolc, június 24. Az alumínium ötvözetek alkalmazásának változása az autóiparban Alumínium az Audi autógyártási profiljában Az első Al karosszéria az Al2 modell (A2 széria) eredmény: 135 kg tömegcsökkentés Felsőkategóriás Audi: A8 Tömegcsökkentés: 239 kg A karosszéria elemek mellett további Al elemek»első- és hátsó felfüggesztések» Egyéb teherviselő elemek 27 Miskolc, június Miskolc, június 24. Mercedes SL modell alumíniumból készült elemei Több-komponensű (multi-material) autó koncepció 29 Miskolc, június Miskolc, június 24. 5

6 Porsche 911 karosszéria váz Alumínium a buszgyártásban a BYD koncepció Alumínium ötvözet Acél 31 Miskolc, június Miskolc, június 24. Alumínium a légi iparban Magnézium és ötvözetei a járműiparban 33 Miskolc, június Miskolc, június 24. Magnéziumból készült alkatrészek VW Group További példák a magnézium növekvő alkalmazására és hatása 2008 Cadillac CTS 2009 Ford F Miskolc, június Miskolc, június 24. 6

7 Titán alkalmazása az autóiparban A titán lehetséges alkalmazásai a gépjárműiparban Volkswagen LUPO 37 Miskolc, június Miskolc, június 24. Anyagok alkalmazási tendenciáinak összefoglalása Összefoglalás Következtetések Változás %-ban Átlagos tömeg (kg) % Vasalapú fémek % % - (23-25) % Al és könnyűfémek 3-5 % % % Műanyagok % % % Egyéb (üveg, textil, stb.) 15 % 13 % - 13 % Növekvő globális autópiaci verseny Nagyobb modell diverzifikáció Rövidebb modellváltási ciklusok Fokozott fogyasztói elvárások és növekvő minőségi követelmények Fokozott törvényi előírások Az autóipar válasza e kihívásokra Fokozódó mértékben a fogyasztói igényekhez igazított autók Párhuzamos innovációs és költségnyomás, erőteljesebb fejlesztési igények, követelmények» az anyagok» a technológiai eljárások és» a szerszámozás terén 39 Miskolc, június Miskolc, június 24. Az anyagfejlesztések összefoglalása A technológiai és szerszámfejlesztések összefoglalása Anyagfejlesztések Korszerű, új acélanyagok kifejlesztése» Nagy szilárdságú, extra és ultra nagyszilárdságú acélok»kettős fázisú (DP), TRIP, TWIN, BH acélok» Press hardening acélok Nem-vas fémek és ötvözetek növekvő arányú alkalmazása» Alumínium és ötvözetei» Magnézium és ötvözetei Nem-fémes anyagok növekvő arányú alkalmazása» Polimerek» Kerámiák» Kompozitok Néhány kiemelkedő technológiai innováció az autóiparban Lemezek HydroForm alakítása Lézeres alakítás Melegalakítás Press hardening Szuperképlékeny alakítás Inkrementális alakítás A technológiai folyamatok teljes körű monitorozása Integrált termék, technológia és szerszám fejlesztés A számítógépes tervezés és gyártás teljeskörű alkalmazása A digitális szerszámüzem koncepció elterjedése 41 Miskolc, június Miskolc, június 24. 7

8 Köszönöm a figyelmüket! Az előadásban ismertetett kutatási program előzményeit a TÁMOP B-10/2/KONV projektben megkezdett kutatómunka jelenti. A vázolt kutatási feladat megvalósítására a évekre elnyert TÁMOP A-11/1/KONV projekt keretében kerül sor. 43 Miskolc, június 24. 8