Korszerű autóipari nagyszilárdságú acéllemezek vizsgálata Török Ádám R3WHGE 4130 Derecske Hétvezér 10
EREDETISÉGI NYILATKOZAT Alulírott: Török Ádám.; Neptunkód:R3WHGE a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős Gépészmérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy Korszerű autóipari nagyszilárdságú acéllemezek vizsgálata című szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: szó szerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül. Miskolc,...év..hó..nap.. Hallgató 2
3
Tartalomjegyzék Bevezetés... 6 1. Acélok csoportosítása... 7 1.1 Acélok fejlődéstörténete... 7 1.2 Acélalapanyagok csoportosítása... 8 1.3 Első generációs nagyszilárdságú acélok... 11 1.3.1 Hagyományos lágyacél:... 11 1.3.2 IF acél:... 11 1.3.3 BH acél:... 12 1.3.4 HSLA acél:... 12 1.4 Második generációs nagyszilárdságú acélok... 13 1.4.1 Kétfázisú acélok (DP)... 13 1.4.2 TRIP acél... 17 1.4.3 CP acél:... 18 1.4.4 MS acél:... 19 1.5 Harmadik generációs nagyszilárdságú acélok... 20 2. Melegalakításra kifejlesztett nagyszilárdságú acélok... 22 2.1 Meleg lemezalakítás... 24 2.2 Direkt (közvetlen) melegalakítás... 25 2.3 Indirekt (közvetett) melegalakítás... 26 2.4 Mechanika tulajdonságok 22MnB5... 27 3. Fizikai szimuláció Gleeble 3500... 31 3.1 Fizikai szimuláció fejlődéstörténete... 31 3.2 A Gleeble 3500-as fizikai szimuláció... 31 4
3.3 Meleg-szakítóvizsgálat... 36 4. Tribológiai vizsgálatok... 38 4.1 Tribológiai rendszer... 39 4.2 Ball-on-disk vizsgálat... 42 4.3 A tribológiai vizsgálatok kiegészítő vizsgálati módszerei... 44 4.4 Profilometriai vizsgálatok... 44 4.5 Keménység vizsgálat... 46 5. Vizsgálati eredmények... 48 5.1 Melegszakító vizsgálat... 48 5.2 Súrlódási együtthatók értelmezése... 56 5.3 Kikopott térfogat és azokból származtatható kopási jellemzők... 59 5.4 Fajlagos kopási sebesség... 60 5.5 Kopásmorfológiai vizsgálatok... 61 5.6 A keménység mérés eredményei... 63 6. Felhasznált irodalom:... 68 5
Bevezetés Az energiatakarékosság, a káros anyag kibocsájtás csökkentése, a biztonság, és a kényelem a fő cél az autóipari fejlődésben. Az autógyártóknak folyamatosan csökkenteni kell a személyautók súlyát, hogy megfeleljenek az egyre növekvő kormányzati előírásnak: a fogyasztásnak és a káros anyag kibocsájtásnak. Annak érdekében, hogy megfeleljenek ezeknek az előírásnak, az autók teljes súlyát csökkenteniük kellett, ezért az 1990-es évektől nagy erőt fektettek abba, hogy kifejlesszenek nagy szilárdságú acélokat. Az autó legnagyobb része a karosszéria, tehát céljuk ennek a súlyát csökkenteni. Az által, hogy fejlesztettek és használni kezdtek nagyszilárdságú acélokat (AHSS) és ultra nagyszilárdságú acélokat (UHSS) a biztonság növekedet, és e mellette az autó súlyát is csökkenteni tudták. Az egyik ilyen nagy fejlesztés a bór-mangán ötvözésű acélok használata. Ezeket a meleg alakításra kifejlesztett nagyszilárdságú acélokat a megfelelő hőkezeléssel érjük el, hogy kedvező mechanikai tulajdonságokkal rendelkezzen. Az én feladatom egy ilyen ötvözésű acél, a 22MnB5 vizsgálata. Szakdolgozatom első részében szakirodalmakat olvastam az autóiparban használt acéltípusokról, különösen a 22MnB5-ről, majd a nyári gyakorlatomon vizsgáltam ezek az acélok közül párat, ilyen például a DC01, DP600, DP800, DP1000 stb. Ezeken az anyagokon végeztem meleg-szakítóvizsgálatot a Gleeble gép segítségével, majd pedig koptató vizsgálatot. 6
1. Acélok csoportosítása 1.1 Acélok fejlődéstörténete A bevezetőben említett szigorodó kormányzati törvények miatt 1994-ben 35 acélgyártó cég összeállt Ultra Light Steel Auto Body néven (ULSAB) létrehozzon egy konzorciumot, hogy megtervezzenek, majd teszteljenek az úgynevezett ultrakönnyű acél autókarosszériát, ami megfelel a széleskörű biztonsági és teljesítmény céloknak. Az új karosszériára vonatkozó követelmények következők voltak: nagy szilárdság, nagy merevség, biztonság, megbízhatóság, könnyű kivitelezhetőség és megfizethető ár volt. A legnagyobb eredményük, az egy új acél típus kifejlesztése, amit nagy szilárdságú acéloknak (AHSS) neveztek el. Az AHSS család egyedi szövetszerkezet és a fázis átalakulás folyamatával sikerült megvalósítani a nagy szilárdság és a jó alakíthatóság kombinációját, ami korábban még nem valósult meg. A karosszériának a merevsége 80%-kal növekedett és emellett 25%-os tömegcsökkenést jelentett. További projectek is elkészítettek, mint pl. UltaLight Steel AutoClosures (ULSAC) ahol a karosszéria elemekben (mint pl. ajtó) értek el nagy sikert. A következő nagy fejlesztés 2008-ban volt, a Future Steel Vehicle (FSV) vagyis a Jövő Acél Járműve nevet kapta a program, ahol a tagok gyorsított fejlesztéssel elérték, hogy az acélok alakíthatóságát tovább növeljék, ahol már Giga Pascal nagyságot is elértek és ezzel csökkenteni tudták az autó CO 2 kibocsájtást. Ezzel 39%-os tömegcsökkentést értek el. A mai modern autó karosszériája nagyon összetett. Különböző terhelés és igénybevételek elviselésére különböző szilárdságú és tulajdonságú acélokból épülnek fel ezek az autók. A következőkben az autóiparban használt acélokat fogom bemutatni [1,7]. Az 1. ábrán mutatom be az idő függvényében, hogy 1975-től a mai napig sok autóipari anyag típust állítottak elő a mikro-ötvözetű acéloktól egészen a 22MnB5-ig.Az ábrán láthatjuk, hogy az 1975 megjelent mikro ötvözetek után, szinte 5 évente jelentek meg új anyagtípusok. Emiatt az autóipari lemezalakításnak is fejlődnie kellett. 7
1. ábra Acélfejlesztési eredmények az autóipari lemezanyagok területén [1] Néhány WordAutoSteel tag: China Steel Corporation Hyundai-Steel Company SSAB Tata Steel United States Steel Corporation 1.2 Acélalapanyagok csoportosítása Az autóiparban használt acélokat többféle módon lehet osztályozni. Az egyik csoportosítási módszer metallurgia jelölés szerinti csoportosítás, amely rámutatat a gyártási módszerre is. E osztályozási rendszer szerint a következő képen különböztetjük meg az acélokat: [1] kis szilárdságú acélok: interstíciómentes IF- acélok hagyományos nagyszilárdságú acélok: C+Mn acél, Bake Hardening (BH) acél, gyengén ötvözött nagyszilárdságú HSLA acél korszerű nagyszilárdságú acélok: DP acél, TRIP acél, martenzites Bór-Mangán acél 8
Második osztályozási módszer szilárdság alapján csoportosítja az acélokat:[1] kis szilárdságú acélok esetén a folyáshatár R p0.2 <250MPa közepes szilárdságú acél folyáshatára 250MPa <R p0.2 <750MPa ultra-nagyszilárdságú acélok folyáshatára 1500MPa <R p0.2 A harmadik osztályozási mód, ami alapján én csoportosítom, az a [2] szakirodalom szerint három nagy részre bontható: 1. Első generációs nagyszilárdságú acélok (Hagyományos nagyszilárdságú acélok) a szakítószilárdság 250MPa alatti érték és a fajlagos nyúlás 30-60% között terjed. Mildsteels(hagyományos lágyacélok) IF acélok (interstíciós-mentes acélok) BH acélok (festés utáni kiégetés során kiválásosan keményedő acélok) HSLA (nagyszilárdságú gyengén ötvözött acélok) 2. Második generációs nagyszilárdságú acélok: itt már a szakítószilárdság 250MPA és 750MPa között mozoghat, de alacsonyabb fajlagos nyúlás érhető el vele, mint az előző csoportban. Kettős fázisú (DP) Komplex fázisú acélok (CP) TRIP acélok Martenzites acélok (MS) Melegalakításra kifejlesztett bórtatalmú acélok 3. Harmadik generációs nagyszilárdságú acélok: itt akár a 20.000MPa értéket is el tudnak érni. Extra nagyszilárdságú acél (X-AHSS) Ultra nagyszilárdságú acél (U-AHSS) A 2. ábrán az előzőekben felsorolt acélokat mutatom be fajlagos nyúlás és szakítószilárdság diagrammon. 9
2. ábra Hagyományos nagyszilárdságú acélok szakítószilárdság-fajlagos nyúlás kapcsolat [15] 1 2. ábrán a hagyományos kis- és nagyszilárdságú acélok szakítószilárdság-fajlagos nyúlás kapcsolatát mutatja. Az előzőekben felsorolt, és a 2. ábrán is szereplő- ma már ún. kis- és hagyományos nagyszilárdságú acélok fogalmával illetett acélok a múlt század második felének jelentős anyagtudományi fejlesztési eredményinek tekinthetők, amelyek az autóipari tömegcsökkentési igények megvalósításába kiemelkedő szerepet játszottak. A 2. ábrából az is jól látható, hogy a szilárdság (jelen esetben a szakítószilárdság) növelésével az alakváltozó képesség (jelen esetben a fajlagos nyúlás) hiperbolikus összefüggés szerint csökken. A hiperbola konstansát a MPa-ban kifejezett szakítószilárdság (R m ) és a százalékos értékével megadott fajlagos nyúlás (A 5 ) szorzataként értelmezzük. Az első csoportba tartozó acélokra amelyeket ma már sokkal inkább a kis-, esetenként közepes szilárdságú acélokként említünk ez az állandó a C=10000 konstans értékkel jellemezhető. Az ábrából az is jól látható, hogy a kettős fázisú (DP) és komplex fázisú (CP) acélokra a hiperbola konstansa C=15000, míg a klasszikus TRIP acéloknál C=20000értékre növekedett. Ezek az 1 10
anyagfejlesztések igen jelentős lépések voltak a kisebb tömegű, kis fogyasztású, kevesebb káros anyag kibocsátást eredményező személygépkocsik térhódításában [3]. 1.3 Első generációs nagyszilárdságú acélok 1.3.1 Hagyományos lágyacél: A hagyományos lágyacélt viszonylag egyszerű ferrites szövetszerkezet jellemzi. Alacsony karbon és ötvöző tartalom miatt lágy és jól alakítható. Alacsony szilárdság, de kiváló alakíthatóság jellemzi. Lágy acélokat régóta használnak a járművekben, mint például karosszériaelemek [4]. 1.3.2 IF acél: IF acélok ultra alacsony karbon és nitrogén tartalommal készítik, és az interstíciós oldódásra képes elemeket, titánnal vagy nóbiummal megkötik. Ezért nem fog öregedni az anyag. Az interstíciós atomok hiányában kis folyási határ mellett, rendkívül nagy alakíthatóság jellemzi, ami miatt nagyon fontos anyag az autóiparban. Szerkezeti elemként szokták alkalmazni. Az interstíció-mentes acélok egy része az oldódási, a karbid/nitrid kiválási és a szemcsefinomítási szilárdságnövelő mechanizmusokat együttesen hasznosítja. További jellegzetessége ezeknek az acéloknak a szokásosnál nagyobb P-tartalom, amelyet ugyancsak az oldódási mechanizmus szilárdságnövelő hatása miatt adagolnak. Az interstíció-mentes acéloknak két nagy alcsoportja van: az egyik a kisszilárdságú IF acélok, a másik a nagyszilárdságú (ún. HS IF) acélok, amelyek azonban a mai szilárdsági határérték definíció alapján csak közepes szilárdságúnak tekinthetők. Ez utóbbiakat mind szerkezeti elemek, mind pedig teherviselő szerelvények anyagaként alkalmazzák [4,19]. 11
1.3.3 BH acél: Festés utáni kiégetés során kiválásosan keményedő acélok. Bonyolultabb összetételű, és gyártási eljárásban is különbözik az előző acéloktól. Alakításkor a karbont oldott állapotba tartják, majd egy gyors hűtés következik, így a karbon oldott állapotban marad. Ennek az eljárásnak köszönhetően egyszerű ferrites szövetszerkezet jellemzi, de hőkezelés hatására növelhető a szilárdságuk, amit a karosszéria elemek festés utáni kiégetés során érjük el. A végleges alakra sajtolt acélpanelek már 170 C-ra hevítéssel biztosítjuk, amikor is a folyamatos lágyítás utáni gyors hűtéssel oldatban tartott karbon a diszlokációk expandált zónájába diffundál, és ezzel jön létre a folyáshatár növekedés. Ez a folyamat növeli a BH acél szilárdságát miközben kiváló alakíthatósága megmarad. Nagy benyomódási ellenállása miatt gyakran használják külső borító elemekhez, ahol a benyomódás veszélye nagy, vagy kavicsfelverődés elleni védelemre. A BH acélok szobahőmérsékleten a karbont oldott állapotban képesek tartani, de a festést követő szárító hőkezelés során (kb. 170 C-on, 20-30 perc) megeresztődnek, és ahogy a kiváló karbon és nitrogén atomok megszállják a hidegalakítás hatására egyébként megnövekedett számú diszlokációkat, a szilárdságuk 30-50 MPa-t növekszik [4,11]. 1.3.4 HSLA acél: A HSLA acél volt az első széles körben használt nagy szilárdságú acél (HSS) az autóiparban. Kis karbontartalom mellett (C=0,1-0,2%), számottevő mennyiségben csak mangánt tartalmaznak (Mn=1,0-1,7% között terjed). Ezek felett mikro-ötvezőkén V-ot, Nb-ot, Ti-t, Al-t, N-t tartalmaznak, amik együttesen sem haladják meg a 0,12%- ot. Az Mn az oldódási szilárdságnövelési mechanizmuson keresztül fejti ki szilárdságnövelő hatását. Azonban ha túl sok Mn-t tartalmaz, az nem kedvező, mivel csökkenti a martenzites átalakulás kezdeti hőmérsékletét, ezáltal rontja a hegeszthetőséget és az alakíthatóságot. A szemcsefinomítást főként Nb, Ti, V, és alumíniumötvözéssel lehet elérni [4,11]. 12
Főbb tulajdonságok: o nagy keménység o jól alakítható o korrózióálló o nagy szilárdság (R m =400-1000 MPa) o jó hegeszthetőség o kis átmeneti hőmérséklet Ezeket a tulajdonságokat kis mennyiségű és viszonylag olcsó ötvözők biztosítják a HSLA acélokban. 1.4 Második generációs nagyszilárdságú acélok 1.4.1 Kétfázisú acélok (DP) A kétfázisú acélok a legfejlettebb és leggyakrabban használ nagyszilárdságú acél az autóiparban. Az ipari termelése 1990-ben kezdődött. 2 fázisból áll: ferrit mátrixba kemény martenzitet tartalmaz, amit a 3. ábra mutat. A duál fázisú acélok (DP) családját a HSLA (HighStrength Law Alloyed: nagy szilárdságú,gyengén ötvözött) acéloknak a továbbfejlesztésével alakították ki. A kis széntartalmú HSLA acéloknál a viszonylag már jól kézben tartható megmunkálhatóságot (képlékenységet) a ferrites szövetszerkezet adja. Az ötvözők közül egyedül a Mn mennyisége számottevő: 1-1,7% között változik. Nyilvánvalóan szilárdságnövelés és az átmeneti hőmérséklet csökkentése céljából alkalmazzák. A többi ötvöző a V, Nb, Ti és Al együttes mennyisége is 0,12% alatt van. Ezek az ötvözők segítik a HSLA acéloknak a finomszemcsés kialakítását, amely, mint láttuk, szilárdságnövelő tényező. A szilárdság növelést jellegzetes hőkezelési technológiával tovább fokozzák, amelyet áthúzó kemencében, vagy sófürdőben, vagy a meleg hengerlés utáni szabályozott hűtéssel végeznek. Mind a három esetben az a lényeg, hogy az α+α mezőben előre meghatározott ferrit/ausztenit arányt alakítanak ki: a kb. 10-20% finomszemcsés ausztenitet a jól alakíthatóferrit szemcsék zárják körül. Ennek az aránynak a 13
kialakításához tartozó hőmérsékletet interkritikus hőmérsékletnek nevezik. Az interkritikus hőmérséklet és a hőn tartás helyes megválasztásával létrehozható a ferrit szemcsék közötti 10-20% ausztenit arány. Az interkritikus hőmérsékletről edzik az acélt, az edzés során az ausztenit szemcsékből martenzit keletkezik. A duál fázisú acélok szövetszerkezete tehát lágy, jól alakítható ferritbe ágyazott, diszperz eloszlású martenzit-szigetekből áll, amelyek mennyisége 10-20%. Ha az acél szakítószilárdsága 450 és 550 MPa közötti, akkor a martenzit szokásos mennyisége 10-18%, ha Rm> 550 MPa akkor pedig 20-30%. A DP 980 acéloknál a martenzit tömegaránya elérheti a 40%-ot is. Jellemzője a nagy keménység, szövetszerkezete lágy, és a jó alakítható képesség. Ez a szövetszerkezet lehetővé teszi, hogy a szakítószilárdság akár 500-1200 MPa-os értéket is elérjen. Ezek a nagyszilárdságú, de még jól alakítható acélok olyan fejlesztési lehetőségeket biztosítanak, mint például a járművek ütközésekor bekövetkező károsodás mértékének csökkentése, anélkül, hogy növelnénk a gépjármű tömegét. A DP acélokat tudjuk melegen és hidegen is alakítani. A DP acélok jellemző tulajdonságai a ferrit-martenzit szövetaránytól, és a martenzit szigetek alakjától és eloszlásától egyaránt függnek. Az egyes típusok kifejezetten nagy szakítószilárdsággal rendelkeznek, határozott folyáshatáruk nincs [2,5,24,15,7]. 3. ábra DP acél szövetszerkezete[2] Ezt a szövetszerkezetet az ún. izotermikus hőkezeléssel állíthatjuk elő úgy, hogy felhevítjük a darabot az α-α fázisba majd megfelelő gyors hűtés után az ausztenit átalakul martenzitté. Ezt a folyamatot mutatja a 4. ábra. 14
Az 1. táblázatban pedig a DP acélokban lévő ötvöző tartalmat és azok hatását fogom bemutatni. 4. ábra DP acél előállításához szükséges hőkezelés bemutatása 1. táblázat DP acélok ötvözeteinek hatásai Ötvöző elem C (0.06-0.15%) ok, amiért hozzáadjuk Ausztenit stabilizáló Szilárdságnövelés Meghatározza a fáziseloszlást Mn (1.5-2.5%) Ausztenit stabilizáló Növeli az acél szilárdságát Csökkenti a fázisátalakulási hőmérsékletet Si Cr, Mo (több mint 0.4%) V (több mint 0.06) Nb (több mint 0.04) Elősegíti a ferrites átalakulást Lassítja a perlit és bénit képződést Finomítja a szövetszerkezetet Csökkenti az M s hőmérsékletet Finomítja a szövetszerkezetet Elősegíti az auszteni ferrité alakulását Nagy szilárdságuk mellett jók a képlékenységi mutatói. Szakítódiagramjuk folytonos, nem tartalmaz folyási határuk. Nagy az alakítási keményedési kitevőjük, ami egyenletes nyúlásra utal, és a mechanikai tulajdonságaiban kisméretű anizotrópia 15
észlelhető. Következő 5. ábrán pedig különböző DP acélok valódi nyúlás- valódi feszültség diagramjai látható. E azért fontos, számomra mert, a nyári gyakorlatomon én is vizsgáltam ezeket a DP acélokat [4,11]. 5. ábra Mérnöki nyúlás - mérnöki feszültség diagramok különböző DP-acélokra [11] A 6. ábrán pedig a DP acélok közül a DP490 anyagú acél, mint autó karosszéria elem látható. Ezek a nagyszilárdságú, de még jól alakítható acélok olyan fejlesztési lehetőségeket biztosítanak, mint például a járművek ütközésekor bekövetkező károsodás mértékének csökkentése, anélkül, hogy növelnénk a gépjármű tömegét [24]. 6. ábra 490DP acél járműipari felhasználása 16
1.4.2 TRIP acél A TRIP acél többfázisú szövetszerkezetből, lágy ferrit mátrixba ágyazott kemény fázisból áll. Legalább 5%-ban tartalmaz (maradó) ausztenitet valamint nagy szilárdságot adó, martenzitet és bainitet amit a 7. ábra mutat. Szilíciumot és alumíniumot gyakran használnak, hogy a bainites tartományban megakadályozzák a karbid kiválását [6]. 7. ábra TRIP acél szövetszerkezete [2] Hőkezelés folyamán, egy közbenső hőmérsékleten, való hőn tartással biztosítják, hogy valamennyi bainit is keletkezzen a szerkezetben. Képlékeny alakítás során, a diszperz módon szétszóródott nagy szilárdságú martenzit szigetek kiválásos keményedési mechanizmuson keresztül fejtik ki szilárdságnövelő hatásukat, ahogyan ez a DP acéloknál is megfigyelhető volt. A TRIP acélokban azonban, ezen túlmenően, a maradék ausztenit terhelésnövekedés hatására fokozatosan átalakul martenzitté, ezzel még tovább fokozza a szilárdságnövelő tendenciát. E miatt, a fázisátalakulása miatt kapta az acélcsalád a nevét [7]. Ötvöző tartalom: C: 0.12-0.55% Mn: 0.20-2.5% Si: 0.4-4.8% Alacsony ötvöző tartalom jellemzi. Pl. 800MPa-os TRIP acél 3.5% tartalmaz ötvözőt. A karbon tartalom nagy szerepet játszik a TRIP acél összetételében, mivel ez az egyik fő alkotóelem és nagy hatással van az anyag tulajdonságaiban. Ahhoz, hogy a legjobb 17
mechanikai tulajdonságokat elérje először is növelni kell a karbon tartalmat annyira, amennyire csak lehet. [6] Nagy karbon tartalom hatására (0.20-0.25%) rontja az anyag hegeszthetőségét. Mn tartalom edzhetőség miatt csak 1.5%.A TRIP acél és a DP acél közt az a különbség, hogy a maradó austenit az alakváltozás növekedő arányában martenzitté alakul, ami alakváltozási keményedést okoz. A 8. ábrán néhány TRIP acél szakítódiagramja látható 8. ábra TRIP acélok szakítódiagramjai[1] 1.4.3 CP acél: A második generációs nagyszilárdságú acélok egyik legjobb eredménye a CP (ComplexPhase), vagyis komplex fázisú acélok. Ferrit mátrixban tartalmaznak viszonylag nagy mennyiségű bainitet, és kis mennyiségű perlitet, martenzitet, és maradó ausztenitet. Nagy szilárdságuk mellett a jó alakíthatóak [3]. Ezeket az acélokat különösen a karosszéria elemekként, felfüggesztésként és futómű alkatrészként használják. A nagy szilárdság és alakíthatóság lehetővé teszi a nagy energia elnyelést, tehát ez is jó választás biztonsági berendezésnek. 18
Néhány CP acél felhasználás: [1] CP 680/780 CP1050/1470 futómű alkatrész lökhárító 9. ábra CP acél szövetszerkezete 2 [1] 1.4.4 MS acél: A multi-fázisú anyagok közé sorolhatók a martenzitesms acélokat. Martenzites szövetszerkezettel, és kis mennyiségű ferrit és bainit is található. A legnagyobb a szakító szilárdsága ezek az acélok rendelkeznek, (Rm=800-1500MPa, C=10 000) de a szakadási nyúlásuk nagyon kicsi.[3] Szilícium, króm, mangán, bór, nikkel, molibdén és vanádium növelheti az edzhetőséget. Karbon tartalmat, ha növeljük, akkor is javítható az edzhetőség, valamint a keletkező martenzit szilárdsága és keménysége is. Austeni fázisból gyors hűtéssel martenzittel átalakulással tudjuk elérni az MS acélok jó tulajdonságát. [1,11] 19
10. ábra MS acél szövetszerkezete 1] A 2. pontban a következő nagy csoport, amiről hosszabban fogok beszélni az a meleg alakításra kifejlesztett nagyszilárdságú acélok. 1.5 Harmadik generációs nagyszilárdságú acélok Az utóbbi két évtized további acélfejlesztési eredményeit mutatja a következő 11. ábra. Az X-AHSS (Extra- Advanced High Strenght Steels) vagyis Extra korszerű nagyszilárdságú acélok és az U-AHSS (Ultra- Advanced HighStrengthSteels) Ultra korszerű nagyszilárdságú acélok az előbbiekben bemutatott nagyszilárdságú acélokhoz képest további nagyságrendi előrelépést jelentettek. Az X-AHSS acéloknál a szakítószilárdság és a fajlagos nyúlás szorzataként képzett állandó C = 40 000-re, míg az U-AHSS acéloknál C = 60 000-re növekedett. Ez azt eredményezi, hogy ugyanakkora fajlagos nyúlás mellett a szilárdság akár 3-4-szeresére is növekedhet, amely felbecsülhetetlen értéket jelent az előzőkben vázolt komplex követelmények kielégítésére szempontjából. A következőkben e két anyagfejlesztési eredmény legfontosabb jellemzőit ismertetem röviden. Az extra nagyszilárdságú (X-AHSS) acélok a TRIP acélok továbbfejlesztett változatai, amelyek elsőként a Távol-Keleti autóipari nagyhatalmak (Japán és Dél-Korea) autóiparában jelentek meg. Ebben a kategóriában az R m A 5 állandót a ma már úgymond hagyományos TRIP acélokhoz képest sikerült megduplázni (C = 40000). Három fő típus ismert: FB-TRIP, az SB-TRIP, valamint az M-TRIP acélok. 20
Az FB-TRIP acélok különleges felhasználói igények kielégítésére fejlesztették ki, nevezetesen olyan autóipari lemezalkatrészekhez, ahol a nagyszilárdság mellett jelentős peremnyújtási, vagy lyuktágítási képességgel is kell az alapanyagnak rendelkeznie. Az FB-TRIP acélok mikro szerkezete ferrit és baitit szövetelemeket tartalmaz. A ferrit biztosítja a nagy nyújthatóságot, míg a szilárdság nagy értékét egyrészt a fokozott szemcsefinomítással és a bainite, mint második fázis szilárdság szilárdág növelő hatásával érik el[3]. 11. ábra Harmadik generációs nagyszilárdságú acélok [15] Az U-AHSS acélok egyik kiemelkedő képviselője az ikerképződéses képlékenységgel rendelkező, TWIP acélok. A TWIP acélok összetételének legjellemzőbb adata a nagy (17-24%) Mn tartalom: ez a nagy Mn tartalom biztosítja az acél teljesen austenites állapotát szobahőmérsékleten is. A TWIP acélok kiválló mechanikai tulajdonságait jól jellemzi, hogy R m = 1000MPa szakítószilárdság esetén is még A 5 = 65% teljes nyúlásra képesek, amely egyben azt jelenti, hogy az R m x A 5 szorzata a C = 65000 állandó értékét is eléri [3]. 21
2. Melegalakításra kifejlesztett nagyszilárdságú acélok HPF (Hot Press Forming) vagyis melegalakításra kifejlesztett bórötvözésű mangán acélok. Ma már sok fajta bórötvözésű mangán acél jelent meg. A fő típusai növekvő karbon tartalom mellett: 8MnCrB3 20MnB5 22MnB5 27MnCrB5 37MnB4 Minél nagyobb a karbon tartalom annál nagyobb a szilárdságuk. Bór alapú melegalakításra alkalmas acélokat már az 1990-es években használtak karosszéria elemként. Körülbelül 850-950 C-ra felhevítjük, ekkor jól alakítható az acél, majd a megmunkáló szerszámban megfelelő hűtési sebességgel hűtve elérjük, hogy a szakítószilárdságuk R m =1000-2000 MPa-ra növelhető. A 2. táblázatban lehet látni, hogy a hőkezelés előtt és után mennyi lesz az acélok szakítószilárdsága és folyáshatára. Szállítási állapotba R p0.2 = 400-500Mpa folyáshatárral és jó alakváltozási jellemzőkkel rendelkeznek, ausztenites állapotban, az alakító szerszámban megfelelő hűtési sebességgel hűtve érjük el hogy nagy szilárdságú (R m >1000MPa) legyen az acél. A táblázatban látható még a martenzites átalakulás kezdeti hőmérsékletét (M s ) és a martenzites átalakuláshoz szükséges kritikus hűtési sebességet (v krit ). E két paraméternek az alakítás+szabályozott hűtés szempontjából van nagy jelentősége. Ugyancsak feltüntettük a folyási határt (R p0.2 ) és a szakítószilárdság (R m ) értékét. E két szilárdsági jellemzőnél a szállítási (alakítás előtti) és az alakítás+martenzites hűtés utáni értékeket is láthatjuk[12,13,14,15]. 22
2. táblázat Bórötvözésű Mn-acélok jellemző tulajdonságai Acél jele Ms, T, C Vkrit, C/s Folyáshatár szállítási állapotban (MPa) Folyáshatár alakítás után (MPa) Szakítószilárdság szállítási állapotban és alakítás után 8MnCrB3 447 751 520 és 882 20MnB5 450 30 505 967 637 és 1354 22MnB5 410 27 457 1010 608 és 1478 27MnCrB5 400 20 478 1097 638 és 1611 37MnB4 350 14 580 1378 810 és 2040 A 3. táblázatba látható, hogy a melegalakításra kifejlesztett nagyszilárdságú acélok mikro-ötvöző tartalommal rendelkeznek, csak a mangán tartalmaz számottevő mennyiség (Mn = 1-1.3 %). Mikro ötvözők között találhatunk Cr, Ti, Ni és B. 3. táblázat Ötvöző tartalom bórötvözésű Mm-acélokban Acél Al B C Cr Mn N Ni Si Ti 20MnB5 0.04 0.001 0.16 0.23 1.05-0.01 0.40 0.034 22MnB5 0.03 0.002 0.23 0.16 1.18 0.005 0.12 0.22 0.040 8MnCrB3 0.05 0.002 0.07 0.37 0.75 0.006 0.01 0.21 0.048 27MnCrB5 0.03 0.002 0.25 0.34 1.24 0.004 0.01 0.21 0.042 37MnB4 0.03 0.001 0.33 0.19 0.81 0.006 0.02 0.31 0.046 Melegalakításra kifejlesztett acélok főként karosszéria elemekként használnak, amit a 12. ábrán mutatok be. Az oldalirányú ütközések szempontjából nagy jelentőségű B- oszlopokat gyártanak melegalakító eljárással (22MnB5), amit még ezután fogok jellemezni. 23
12. ábra Melegalakító acélok járműipari felhasználása [13] 2.1 Meleg lemezalakítás Az előbb említett bór-mangánötvözésű acélok közt a legelterjedtebb az autóiparban a 22MnB5. Szállítási állapotban 600MPa folyási határú, de hőkezelés után a kemény marteznit hatására 1500MPa lesz. Ezt mutatja be az 13. ábra. Ez a folyamat: felhevítem a darabot összetételtől függően az ausztenitesítési hőmérsékletre egy kemencében (T ausztenit = 850-950 C) [2]. A hevítés és a hőntartás folyamata is kemencében történi, automatikus adagolással, robot segítségével. A hőntartási idő jellemzően néhány perc csak (5-10 min) mivel általában vékony lemezekről van szó. Ha megvolt az ausztenitesítés a kemencéből megint robot segítségével visszük át a darabot a megmunkáló szerszámba. Fontos a jó pozícionálás, ezért a szerszámban különféle pozícionáló, központosító szerszámelemekkel biztosítják. Folyamatos hűtéssel minimum 25-30 mm/sebességgel hűtjük, hogy az ausztenit átalakuljon martenzitté [3,12,13,14]. 24
13. ábra hőkezelés menete [15] 2 Féle melegalakítás típust ismerünk: direkt (közvetlen) melegalakítás indirekt (közvetett) melegalakítás 2.2 Direkt (közvetlen) melegalakítás Felhevítjük a darabot az ausztenítési hőmérsékletükig (850-950 C) majd 5-10 percig folyamatos adagolású kazánban hőn tartjuk, majd egy előmelegített alakító szerszámba a robot átviszi a darabot. Ez általában kevesebb, mint 3 másodperc. Magas hőmérsékleten (650-850 C) az anyagnak kiváló az alakíthatósága, így komplett alakzatot lehet készíteni az alakító gép segítségével. A munkadarab együtt hűl a szerszámmal, és bekövetkezik a fázis átalakulás, ami szükséges szilárdságot biztosítja. A szerszámban vízzel hűtjük a darabot 50-100 C/másodperc-el hogy teljesüljön a martenzites átalakulás. Ez a hűtési szakasz kb. 15-25 másodperc. Ezután mikor már 150 C a hőmérséklet kivesszük a szerszámból és levegőn hűtjük tovább. Így érthető el az 1400-1600MPa-os nagy mechanikai tulajdonság. Előnye, hogy bonyolult alakzatot is ki tudunk könnyen önteni. Ezt a folyamatot mutatja be a 14/a ábra [13,14,15]. 25
14. ábra közvetett és közvetlen meleg alakítás [13] 2.3 Indirekt (közvetett) melegalakítás Egy előzetes hidegalakítással a kész alak figyelembevételével előalakított elő gyártmányt készítenek. Az alakítás gazdaságossága szempontjából az a jó, ha minél jobban megközelíti a kész munkadarabot, ebben az esetben melegalakítás során kalibráló alakítás történik, és a szerszámban hűtés folyamán nyeri el a végső formáját a munkadarab. A szerszámok kopása miatt alakították ki az indirekt melegalakítást. Ezt a folyamatot mutatja be a 14/b ábra. A 15-es ábrán az említett B-oszlop készülhet a 22MnB5-ös acélból, aminek a hőkezelését fogom bemutatni. Mivel fontos az utasok védelme nagy szilárdsággal rendelkező anyagot építenek be az autógyártók az oldal irányú ütközések tompítása érdekében. Ütközés szempontjából fontos felső része a B-oszlopnak ezért ultra-nagy szilárdságú acélból készül, míg az alsó része nagyszilárdságú HSLA acélből készül, aminek kisebb a szilárdsága, de nagy alakváltozási tulajdonsága révén ütközési energiát jól el tudja nyelni [16,15]. 26
Különböző módszerrel tudjuk előállítani: részleges hőkezelés különböző hűtési sebességgel 15. ábra B-oszlop hűtési sebessége Az 15. ábrán jól látszik, hogy nagyon fontos a megfelelő hűtési sebesség biztosítása mert lassú hűtés esetén ( v hűtés < 27) a szakítószilárdság csökken, mivel itt már ferrites perlites szövetszerkezet alakul ki. Ahhoz, hogy megfelelően nagy szakítószilárdság legyen, gyorsan kell hűteni, így martenzites lesz a szövetszerkezet. 2.4 Mechanika tulajdonságok 22MnB5 Alakítás előtt finomszemcsés ferrit-perlites szövetszerkezet és 400-500 MPa folyáshatár és 600MPa szakítószilárdság jellemzi. Meleg alakítás következtében 1500MPa körüli érték érhető el. Ehhez felhevítjük az anyagot 950 C körüli hőmérsékletre majd hőn tartjuk és azután megfelelő hőmérséklettel hűtjük az anyagot. Ez nagyon fontos ahhoz, hogy elérjük a kívánt tulajdonságot biztosító szövetszerkezetet. A 16. ábrán látható, hogy elérjük ezeket a kedvező tulajdonságokat gyorsabban kell hűteni, mint 27 C. Az optimális hűtési sebesség 30-50 C 27
16. ábra 22MnB5 folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramja 15] Következőkben (17. ábra) a különböző hőmérsékletre felhevített majd 5 percig hőn tartott 22MnB5 acél szövetszerkezete látható. Jól látszik, hogy a 760 C és a 790 C hőmérsékletre hevített acél szövetszerkezete hasonló a hidegen hengerelt lemezével. 75%-ban ferritet és 25%-ban begömbösített perlitet tartalmaz. Ha a hőmérséklet átlépi a 810 C-ot a ferrit és a perlit szemcsék átalakulnak ausztenitté. 820 C és 850 C hevítés majd 5 perc hőn tartás esetén ferrit és martenzit alkotja a szövetszerkezetet, a perlit a hőn tartás közben ausztenitté alakul. Ha a hevítési hőmérséklet megfelelően nagy, a hőn tartás pedig hosszú a perlit és ferrit martenzitté alakul, így teljesen martenzites szerkezet alakul ki. 880 C hőmérsékleten teljes martenzites a szövetszerkezet [17]. 17. ábra Különböző hőmérsékleten a szövetszerkezet [17] 28
A 18. ábrán a keménység változást mutatom be különböző hosszúságú hőn tartási idő mellett. 18. ábra Különböző hőn tartási idő mellett a keménység értéke [17] A 18. ábrán jól látható, hogy a legkeményebb szövet (~52 HRC) az 5 perc hőn tartási idővel és 880 C-ra hevítve érhető el A szakítószilárdság is nő, ha emeljük a hőmérsékletet, bizonyos hőn tartási idő mellett, és egy bizonyos hőmérséklet felett a vastagodó martenzit lemezeknek a szilárdság is csökken. A legnagyobb szakítószilárdságot (~1600MPa) 15perc hőn tartási idővel, 850 C-on érhető el. Nagy szakítószilárdság eléréséhez tehát 820-940 C és 0-15 perc hőn tartás szükséges [17]. 19. ábra Különböző hőn tartási idő mellett a szakítószilárdság [17] 29
A hőmérséklet befolyásolja a feszültség-nyúlás görbét is, ha 760 C-820 C ra hevítjük a munkadarabot és 5 percig hőn tartjuk, ekkor a szakítószilárdsághoz tartozó valódi feszültség nő, ellenben a szakadási nyúlás csökken. 790-820 C-ra hevített darabon szemmel nem látható kontrakció nem jelenik meg, ennek az oka, hogy ez a hőmérsékleti tartomány nem megfelelő edzésnek, mivel ilyenkor ferrit perlit és kis mennyiségű finom lemezes martenzit alkotja a szövetszerkezetet. Különösen az 22MnB5 tartalmaz néhány karbidképző elemeket, mint króm, molibdén, bór, mangán stb. Ezek a karbidképzők és a hőmérséklet lassítja a cementit bomlását így cementit kiválás jön létre és ez szívósság csökkentést eredményez.. A 820 C-t meghaladó hevítés során a szakítószilárdság és a szakadási nyúlás is megnő a cementit mennyiség ausztenizálás általi csökkenése miatt. A szakító szilárdság és a szakadási nyúlás 910 C-os hevítés esetén éri el a maximumát. A 910 C-ot meghaladó hevítés esetén a hőmérséklet növekedésével vastagodó martenzit lemezek miatt, csökken a szakító szilárdság és a szakadási nyúlás is. 910 C-on 0-5 perces hőn-tartásig a szakítószilárdság és a szakadási nyúlás nő, de 5 percnél hosszabb ideig hevítve csökkenésnek indulnak ezek az értékek [17]. 20. ábra Különböző hőn tartási idő mellett a valódi nyúlás[17] 30
3. Fizikai szimuláció Gleeble 3500 3.1 Fizikai szimuláció fejlődéstörténete Az anyagtechnológia eljárások fizikai szimulációja során a laboratóriumi körülmények között végzett vizsgálatot jelent, amely során pontosan megválaszthatjuk a termikus és mechanikus folyamatokat, amit a folyamat közben éri az anyagot. Az anyag vagy szerkezet működés közbeni viselkedését is tudjuk vizsgálni, a végső felhasználás körülményeit létrehozva. A fizikai szimuláció fogalma: a fizikai szimuláció nem más, mint a tényleges és a lehetséges ipari folyamatok megvalósítása, a valósággal egyező időléptékben és a valóságot megközelítő geometriai (térfogati) léptékben. Fizikai szimulációra már a XX. század közepén találunk említést szakirodalomban [21,22]. 3.2 A Gleeble 3500-as fizikai szimuláció A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszéken található egy 1995-ben gyártott harmadik generációs szimulációs program, a Gleeble 3500-as. A Gleeble 3500-as rendszer három fő egységre osztható: a termikus egységre, a mechanikai egységre, és a digitális vezérlő rendszerre. Teljes körűen integrált, digitálisan vezérelt termo-mechanikai vizsgáló rendszer, ami Windows alapú számítógéppel működik, amely segítségével termo-mechnikai vizsgálatot és szimulációt tudtam elvégezni a nyári gyakorlatomon. Termikus egysége közvetlen ellenállás-hevítő rendszerének köszönhetően a munkadarabot a kívánt hőmérsékletre tudjuk felhevíteni, és elvégezhető igen nagy sebességű hevítés is, ami akár 10000 C/s is lehet, de képes egyensúlyi hőmérséklet megtartására is. A szimuláció során fontos a visszajelzés, amit megkapunk a termoelemek vagy pirométerek által. 31
21. ábra Gleeble 3500 termo-mechanikus fizikai szimulátor a Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézetben A próbadarabok felületére akár 4 termoelem is fel tudunk hegeszteni és ezáltal mérhető az adott helyeken a hőmérséklet. A Gleeble rendszerhez tartozik egy ellenállás hegesztő célgép, amivel a próbatestek felületére hegesztett termoeleket segítségével a szakító vizsgálat során beállított hőmérsékletet tudjuk ellenőrizni. Minden próbadarabra 2 termoelemet hegesztettem fel, ami a 22. ábrán látható. A 23 ábrán pedig a hegesztő célgép, ami segítségével a munkadarabra hegesztettem a termoelemeket. A hőmérséklet pontos mérése miatt ügyelni kel arra a termoelemek megfelelő elhelyezésére, ami a próbatest közepére kell esnie, illetve fontos, hogy a vizsgálandó hőmérséklet tartományhoz tartozó termoelemet válasszunk. 32
22. ábra Termoelemek hegesztése precíziós hegesztő célgépen 23. ábra Próbatestre hegesztett termoelemek A Gleeble rendszer segítségével, több nagyságrenddel gyorsabban lehet felhevíteni és lehűteni a darabot, mint a hagyományos, kemencével melegítő berendezésekkel. A szimulátor mechanikai egysége komplex, hidraulikus szervo-rendszer, amellyel húzásra és nyomásra maximálisan 100 kn, a maximális terhelési sebesség pedig 1000 mm/s érhető el. A visszacsatolást a vizsgálati program, pontos végrehajtásához az erőmérő cellák, hossz- és keresztirányú elmozdulásával tudjuk biztosítani. A 33
mechanikai rendszer lehetővé teszi a vizsgálat közben, bármely pillanatban, korlátlanul változtathatjuk a különböző vezérlési módok között. A következő vezérlési módok állnak rendelkezésre: dugattyú elmozdulás, adott jeltávra vonatkoztatott elmozdulás, alakváltozás sebesség, erő, mérnöki feszültség és alakváltozás, valódi feszültség és alakváltozás. A digitális vezérlő rendszer, amely biztosítja a működés során szükséges információk áramlását, visszacsatolásokat, és ez teszi lehetővé folyamatok pontos vezérlését. A mozgás irányítását tudjuk számítógépen vagy manuálisan is irányítani [31]. Technológiai paraméterek: A 4. táblázatban három Gleeble rendszert fogok bemutatni 4. táblázat Gleeble technológiai paraméterek Jellemző Mértékegység Gleeble 1500 Gleeble 3500 Gleeble 3800 paraméter max. érték Hevítési seb. C/s 10000 10000 10000 Hűtési seb. C/s 250 10000 10000 Elmozd. mm 100 100 100 Elmozd. s. mm/s 2000 2000 2000 Statikus erő, kn 80/80 100/100 100/200 húzás/nyomás Próbatest km. mm 2 250 - - Próbatest mm - 20 20 átmérő Próbatest mm 125 - - hosszúság [13,19, 31] 34
Két nagy csoportra osztható a Gleeble 3500-en végezhető vizsgálatok. Az egyik az anyagvizsgálatok, a másik a folyamat szimulációk csoportja. Anyagvizsgálatok: Szakítóvizsgálat nyomóvizsgálat hőkezelés feszültség alakváltozás görbék meghatározás olvasztás és kristályosodás kúszásvizsgálat fárasztóvizsgálat feszültség csökkentés zérus szilárdság meghatározása Folyamat szimulációk: folyamatos öntés meleghengerlés kovácsolás sajtolás hőkezelés porkohászat szinterelés diffúziós hegesztés [31] A felhasználó és berendezés közötti kapcsolatot a Graphical User Interface segítségével valósítjuk meg. A vizsgálat végén az adatokat automatikusan betöltődik egy Origin nevű szoftverbe, amely segítségével az adatok digitálisan elérhetőek. A Gleeble 3500 kezelői felületének tervezésekor, a DSI (Dynamic System Inc.) mérnökei felismerték, hogy a gép teljesítményéhez a rugalmas kezelőfelület elengedhetetlen. Ezért a 3500-as irányításának m den aspektusa számítógéppel 35
szabályozható, és elő beállítható a programban. A még rugalmasabb kezelés érdekében lehetővé tették a könnyű manuális irányítást is. A Gleeble 3500-as részét képezi egy különálló irányító konzol, amin 10 további vezérlő panel található. Mindegyik panelhez tartozik kezelő gomb és kijelző, amelyek szoftveresen konfigurálhatók a gép bármely részének irányítására. Ennek eredményeképpen a kezelőnek nagy szabadsága van a rendszer manuális irányításában, mégsem áldozza fel a számítógépes irányítás lehetőségét és egyszerűségét, amikor ez a jobb választás. Változtatás nélkül alkalmazhatók az előre megírt tesztprogramok, vagy ha az jobban megfelel az aktuális feladatnak használhatók a vezérlő panelek a program finomhangolására, miközben a mérések folyamatban vannak. Amikor egy vizsgálat vagy szimuláció lefutott, az eredmények automatikusan betöltődnek az Origin szoftverbe, amely egy a Gleeble 3500-hoz mellékelt erős és rugalmas adatelemző csomag része. Az Origin sok beépített matematikai funkciót kínál az adatok elemzéséhez, valamint magába foglalja a LabTalk programozási nyelvet, amely felhasználható az átfogó jellegű ismétlődő, összehasonlító szimulációk és vizsgálatok adatainak kiértékeléséhez, feldolgozásához. Az Origin beállítható úgy, hogy minden egyes vizsgálat adatait betöltse, és azonnal megjelenítse tetszőleges mennyiségű grafikonon, amely a mérések gyors és egyszerű áttekintését teszi lehetővé. További pozitívumként kiemelhető, hogy az Origin színes, publikációkhoz megfelelő minőségű grafikonokat és táblázatokat készít. [32] 3.3 Meleg-szakítóvizsgálat Melegszakító vizsgálatot végeztem öt különböző anyaggal, különböző hőmérsékletre hevítve és különböző alakváltozási sebességgel. A termoelemek felhegesztése a célgép segítsége után, megfelelően beállítottuk a technológiai paramétereket, a vákuum létrehozása után elvégeztem a szakító vizsgálatokat. A munkadarab befogása kissé nehézkes volt mivel nagyon vékony lemezekről van szó nehéz volt összeszorítani. Első körben a 22MnB5-ös lemezek szakítását végeztem el. Három különböző hőmérsékletre hevítve (500 C, 700 C, 36
900 C) és három különböző alakváltozási sebesség ( : 0,1; 0,01; 0,001) készült a szakítóvizsgálat. Ezután következett a DP600, DP800, DP1000 végül a DC01. Ezeket is 500 C, 700 C, és 900 C de már csak = 0,01. A kapott értékek segítségével elkészítettem a szakító diagramokat, amit az 5. pontban hosszabban fogom elemzeni. Ezután pedig az elszakított rész hosszúságát és szélességét mértem le. Ebből tudtam számolni a kontrakció százalékos értékét. Az 5. táblázatban a kapott eredményeket mutatom be. Könnyebbség miatt az 1: 22MnB5, 2: DP600, 3: DP800, 4: DP1000, 5: DC01 es jelölést vezetem be. A szakítógörbe utolsó szakasza a kontrakció szakasza: a maximális erő elérésekor a próbatest leggyengébb keresztmetszetén erősebben nyúlik, ezért a keresztmetszet azon a helyen lecsökken: ez a kontrakció jelensége. A lecsökkent keresztmetszet helyén a próbatest erősen megnyúlik, ezért lecsökken a húzóerő, végül elszakad a próbatest. 5. táblázat százalékos kontrakció érték munkadarab jel Z% 1: 500 C, 0,01 94,99 1: 700 C, 0,01 94,798 1: 900 C, 0,01 94,942 1: 500 C, 0,1 96,135 1: 500 C, 0,001 96,584 1: 700 C, 0,001 93,12 1: 900 C, 0,001 92,368 1: 700 C, 0,1 97,39 1: 900 C, 0,1 95,278 2: 500 C, 0,01 97,603 2: 700 C, 0,01 98,454 2: 900 C, 0,01 96,872 3: 500 C, 0,01 93,2 3: 700 C, 0,01 96,82 3: 900 C, 0,01 97,63 4: 500 C, 0,01 93,68 4: 700 C, 0,01 95,945 4: 900 C, 0,01 94,61 5: 500 C, 0,01 95,584 5: 700 C, 0,01 95,434 5: 900 C, 0,01 97,028 37
4. Tribológiai vizsgálatok A világban előforduló szerkezetek és gépalkatrészek élettartamát a kopás szabja meg. A kopás mértéke és annak változása jelentősen befolyásolja az alkatrészek méretét, fizikai és kémiai tulajdonságát, munkavégző képességét stb. A kopás kiinduló forrása lehet repedésnek, törésnek, valamint alkatrészek berágódásának. A kopás fogalmára különféle meghatározások találhatók a szakirodalomban: A kopás szilárd testek felületén bekövetkező anyagveszteség, amelyet szilárd, cseppfolyós vagy légnemű ellentesttel, ill. közeggel való érintkezés és relatív elmozdulás okoz [27]. A relatív elmozdulás okozta igénybevétel lehet: csúszás, gördülés, ütközés, lengés, abrázió, erózió, kavitáció, amelyek külön-külön, vagy kombináltan is jelentkezhetnek. "A kopás apró anyagrészecskéknek mechanikai erők, súrlódó erők hatására bekövetkező fokozatos leválása, eltávozása a felületről [28]. Használat során azonban az érintkező felületek oxidálódhatnak, így nemcsak anyagveszteség, de súlytöbblet is kialakulhat. Koptatáskor két érintkező anyag mozdul el egymás felületén, amelyek érintkezési felületére normálirányú erő hat. A kopási jelenségek vizsgálatakor et a jelenséget modellezve a vizsgált próbatest felületén mozdítunk el egy kemény koptató szerszámot. A tribológia, azaz a súrlódás, kenés és kopás tudományában a kopásvizsgálatok segítségével jellemezhetjük, prognosztizálhatjuka kopási károsodások várható mértékét, amelyek közül az egyik legfontosabb vizsgálati módszer az ún. pin-on-disk rendszerű eljárás. Egyszerűségénél fogva ez a módszer igen elterjedt elsősorban a gépalkatrészek kopásállóságának meghatározására, de használják még olyan olajok kenőképességének és bevonatok kopásállóságának vizsgálatára is [29]. A tribológiai vizsgálatokat többféle célra lehet alkalmazni: meglévő anyagokat tudunk minősíteni kopásállóság szempontjából, anyagválasztáshoz adhatunk összehasonlító jellemzőket, kopási mechanizmusok elemzését teszik lehetővé, vagy új fejlesztésű anyagok teljesítőképességét vizsgálhatjuk. A vizsgálatok során különféle terhelési 38
feltételek (normálerő, csúszási sebesség, érintkezési geometria, hőmérséklet, kenőanyag, stb.) mellett tanulmányozhatjuk a kopási károsodási folyamatok sajátosságait. A vizsgálatokat nagyszámú elrendezésben és terhelési körülmények között azaz változatos triborendszerekben lehet végrehajtani, amelyek különböző célokra alkalmasak, mivel a vizsgálatok eltérő igénybevételi viszonyokat modelleznek a változatos valós igénybevételi viszonyoknak megfelelően. Vizsgálati módszer kiválasztása függ a pénzügyi forrásoktól, a vizsgálati időtől, és a rendelkezésre álló vizsgálattechnikai feltételektől [26]. 4.1 Tribológiai rendszer A kopási és súrlódási folyamatban a következő elemek vesznek részt: alaptest (1) az a darab, aminek a kopását vizsgáljuk; ellentest (2) az az elem, ami a kopást idézi elő; közbenső anyag (3) ez lehet kenőanyag, vagy egyéb részecske az alap- és ellentest között; környezeti közeg (4) ez lehet levegő nemesgáz, vákuum vagy folyadék. A lejátszódó folyamatokat ezeknek az elemeknek a jellemző paraméterei nagymértékben befolyásolják. A következő ábra egy elemi tribológiai rendszert mutat be. Fontos megjegyezni, hogy ha különböző problémákra megoldást akarunk keresni, akkor pontosan ismerni kell az adott tribológiai rendszert (24. ábra), valamint az érintett tudományterületeket (mechanika, anyagtudomány, fizika, kémia)[25]. 24. ábra A tribológiai rendszer elemei; (1) alaptest; (2) ellentest; (3) köztes anyag; (4) környezet 39
A kopási károsodást meghatározó legfontosabb rendszerjellemzők a következők [30]: Igénybevétel: - a súrlódás jellege; - terhelés nagysága, jellege; - hőhatás; - környezeti hatások (korrozív közeg hiánya vagy jelenléte, típusa, fizikai, kémiai jellemzői). A súrlódó anyagok sajátosságai: - felületgeometriai jellemzők; - anyagszerkezeti sajátosságok - mechanikai tulajdonságok; - fizikai tulajdonságok; - kémiai tulajdonságok. Köztes anyagok: - kenőanyagok (halmazállapota, fizikai/kémiai jellemzői); - abrazív szemcsék (alakja, mérete, mechanikai jellemzői). Ezek a tényezők határozzák meg a súrlódó felületek kölcsönhatását, a felületek tulajdonságváltozásának jellegét, nagyságát, a roncsolódás mértékét. A vizsgálandó próbatest mérete befolyásolja a berendezés méretét. Beszélhetünk kis próbatesttel és nagy próbatesttel végzett vizsgálatokról. Az általam vizsgált próbadarab kisméretű próbatest. Az ilyen próbatestek nagyon elterjedtek, mivel gazdaságosak, használatuk sokrétegű, lehet vizsgálni a mikroszerkezetet, mechanikai tulajdonságot, és hogy a kopási sebesség elfogadható-e. A 25. ábrán látható a tribológiai vizsgálatok egyik csoportosítási módja, amelyen belül különféle próbatest geometriapárosításokat, valamint különféle mozgásviszonyokat láthatunk. Sokféle eljárásváltozat van. Ezekre azért van szükség, mert így a különféle valós üzemi körülményeket és különféle kopási rendszereket modellezni tudjuk. Ebben a táblázatban benne van napjaink legtöbbet használt vizsgálata a ball-on-disk (golyó-tárcsa) és a pin-on-disk(tű-tárcsa) súrlódó pár változatis. A következőkben a ball-on-disk módszert fogom bemutatni, amit én is alkalmaztam a vizsgálataim során [34]. 40
Laboratóriumi modell vizsgálatok (száraz vagy kent rendszerekhez) Test-sík modell vizsgálatok (adott frekvenciával egy tengelyű alternáló mozgás) Fretting vizsgálatok (adott frekvenciával, rezgőmozgással) Test-sík modell vizsgálatok (adott frekvenciával több tengelyű alternáló mozgás) Rúd (tű)- tárcsa modell vizsgálatok (körmozgás, ált. egyirányú, folyamatos súrlódás) Test-henger modell vizsgálatok (általában egy irányú, forgó hengerpalást és nem illeszkedő érintkezés a próbadarabok között Négygolyós készülék és kétgyűrű modell vizsgálatok Abráziós vizsgálati rendszerek (koptatószemcsés, mikroabráziós és gázeróziós) Speciális alkalmazásokhoz (tengelycsukló, könyök, kuplungtárcsa) Zárt rendszerű laboratóriumi kenőanyag vizsgálatok Kenőanyag vizsgáló rendszerek, folyamatos és/vagy szakaszos kenés utánpótlással 25. ábra Tribológiai modellvizsgálat csoportosítása Plint 2001 cég alapján [34] 41
A továbbiakban a ball-on-disk módszerrel foglalkozom, amelynek segítségével a nyári gyakorlatom alatt a Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai Intézetben végeztem el a vizsgálataimat különféle autóipari lemezanyagokon. 4.2 Ball-on-disk vizsgálat A ball-on-disk vizsgálat során az ellentestet (golyó) egy előre beállított nyomóerővel szorítjuk a próbatesthez, úgy hogy a súrlódó felületek között egy pont formájában jöjjön létre az érintkezési kapcsolat. Ezt a folyamatot a 26. ábra illusztrálja. A kopás mértékének növelésével, növekvő felület alakítható ki. A golyó anyaga minden esetben keményebb a vizsgálati minta anyagánál. A vizsgálat során a befogóban rögzített golyó körkörös nyomot hagy a korábban síkra munkált minta felületén [29]. 26. ábra A ball-on-disk kopásvizsgálat elve [30] F N : normálirányú terhelőerő, R: csúszási sugár, n: fordulatszám A vizsgálatokat a CETR gyártmányú UNMT-1 kopásvizsgáló berendezésen végeztem, amely a 27. ábrán látható. A vizsgálóberendezés alkalmas mind száraz, mind kenőanyaggal történő kopásvizsgálatokra, egyenes vonalú illetve körpályán elmozduló próbatest egyirányú, vagy váltakozó irányú vizsgálatára. 42
A berendezés legfontosabb adatai a következők: - Terhelőerő tartomány: 10 nn-100 N - Fordulatszám tartománya: 0,001-5000 1/min - Szabályozható vizsgálati körülmények: hőmérséklet (350 C-ig) és páratartalom szabályozása (külön páraszabályzó egységgel) - Mintavételi frekvencia: max. 100 khz. 27. ábra Felületvizsgáló berendezés Az általam elvégzett kopásvizsgálatok során alkalmazott vizsgálati paraméterek a következők voltak: Csúszási úthossz: L = 100 m Csúszási sebesség: v ker = 100 mm/s Vizsgálati idő: t = 16,6 sec Próbatest fordulatszáma: n = 318,4713 1/min Normálirányú terhelés: F = 40 N Csúszási sugár: r = 3 mm Golyó (ellentest) anyaga és átmérője: ZrO 2, d=3 mm. 43
A vizsgálat során nem változtattam a csúszási sebességen, a terhelőerőn, hőmérsékleten a csúszási hosszon és a fordulatszámon sem. Így tudtam összehasonlítani a különböző anyagokon végzett vizsgálatok során kapott eredményeket. A súrlódási együttható megtett úthossz diagramokat a berendezés a vizsgálat során online módon rögzítette. 4.3 A tribológiai vizsgálatok kiegészítő vizsgálati módszerei Ahhoz hogy komplex képet kaphassunk az anyagok tribológiai viselkedéséről, a kopásvizsgálatok mellett szükséges még egyéb, más vizsgálatokat is végezni. Azért van szükség erre, hogy meg tudjuk magyarázni az anyagok kopásvizsgálat közben mutatott viselkedését. Ezen vizsgálatok között vannak olyanok, amelyek a vizsgált anyag kiinduló állapotának jellemzésére szolgálnak, mint például az érdesség mérés, összetételi elemzések, mechanikai tulajdonságok vizsgálata. Más részük pedig az elvégzett kopásvizsgálatok értékeléséhez, mennyiségi és minőségi paraméterek meghatározására szolgálnak. A továbbiakban a kopási tulajdonságok jellemzése céljából általam elvégzett vizsgálatokat mutatom be. 4.4 Profilometriai vizsgálatok A profilometriai vizsgálatok közül a szakdolgozatomban a kopásnyom profiljának geometriai jellemzésére meghatároztam a kikopott keresztmetszetet. Ezt követően optikai mikroszkópos felvételeket készítettem a kopásnyomokról, amelyek alapján elemezhető a kopásnyomok morfológiája. A mért kikopott keresztmetszetek alapján kopási mérőszámokat határoztam meg, amelyek segítségével információt nyerhetünk a különféle anyagok kopási viselkedésére vonatkozóan. 44
A vizsgálat során a kopásnyom négy egymásra merőleges keresztmetszetében profilometriai vizsgálattal a 28. ábrán látható módon meghatároztam a kikopott keresztmetszetet, ami alapján a kopási jellemzőket számítottam. Ilyen kopási mérőszám a kikopott térfogat, a kopási sebesség, a fajlagos kopási sebesség, és a dimenziótalan kopási tényező. Ezek közül csak a kikopott térfogat és a fajlagos kopási sebesség értékeket határoztam meg. 28. ábra A kikopott keresztmetszet meghatározása profilometriai vizsgálattal A kikopott térfogat (V) általánosan használt jellemző, ami a kikopott keresztmetszet (A) és a kopásnyom hosszának (L) szorzataként adódik [30]: 45
A másik gyakran használt kopási mérőszám a fajlagos kopási sebesség (k): ahol V a kikopott térfogat, F n a normál irányú terhelőerő, L a teljes csúszási úthossz [30]. 4.5 Keménység vizsgálat Keménység alatt a szilárd anyagoknak az alakváltozással szemben tanúsított ellenállását értjük. Keménység vizsgálat során általában a keménységet benyomódás vizsgálatokkal határozzák meg, amikor a lenyomatnak a nagyságát mérik meg, amelyet a vizsgálandó felületbe nyomott kemény benyomó fej okoz (29. ábra). A keménységmérésnek két féle módja van: a statikus és a dinamikus mérés. A statikus méréssel kizárólag képlékeny alakváltozással arányos nyom határozható meg. A benyomódás mértékétől függően megkülönböztetünk makro keménységet, ekkor a benyomó erő F> 30N, közepes keménységet, ilyenkor a benyomó erő 2 30N között mozog, és mikro keménységet, itt pedig a benyomó erő F <2N. Ehhez a módszerhez tartozik a Brinell, Rockwell és a Vickers eljárás is. A keménység egy betűjelből (hardness= keménység H) és egy számjegyből áll. Második betűjel pedig a vizsgálati mód jele, nekem a HV mivel Vickers keménységet mértem. A vizsgálati módszerek másik nagy csoportja a dinamikus keménységvizsgálatoknál a keménységet a rugalmas ütközés során elnyelt energia nagyságával jellemzik (ilyen például a szkleroszkóp) [22,23]. A Vickers keménység helyi keménység értéket ad nekünk. Bármilyen keménységű acél jól mérhető. A Vickers keménység eljárás elvi vázlata a 29. ábrán látszik. 46
29. ábra Vickers eljárás szúrószerszáma és a lenyomata [23] A vizsgálat során a négyzet alapú gúla alakú gyémánt nyomótestet, amelynek szemközti palástjai 136 -os szöget zárnak be egymással F terhelőerővel folyamatosan nyomjuk az anyagba. Az erőt pár másodpercig tartjuk az adott F értéken, majd utána megszüntetjük. A maradó benyomódás két átlóját leolvassuk, és képezzük ezeknek az átlagát. A mikro-vickers keménységet ugyanúgy jelölik, mint a Vickers keménységet, azzal a különbséggel, hogy találkozhatunk a HVM betűjel használatával is. Ezek a berendezések abban különböznek a Vickerstől, hogy azoktól kisebb terhelőerővel általában legfeljebb 2 kp-al dolgoznak.[22] A vizsgálat során beállított paraméterek: Terhelőerő: F=200g Terhelés időtartalma: t=10s 47
5. Vizsgálati eredmények A szakdolgozatom következő részben az előzőkben bemutatott melegszakító vizsgálat és koptató vizsgálat eredményeit mutatom be. 5.1 Melegszakító vizsgálat A 30. ábrán mutatom be a 22MnB5 anyag 900 C-on különböző alakváltozási sebesség mellett. Mint a szakirodalmamba ismertettem, ahhoz a 22MnB5 a legjobb mechanikai tulajdonságot elérje, 900-950 C-ra kell hevíteni, majd ezután a gyors hűtés következik. Ezután megnézem egy kisebb hőmérsékleten (700 C), itt elvileg nem lesz nagy változás mivel, közel van a 900 C-hoz. Majd megnézem egy még kisebb hőmérsékleten (500 C), ez azért lesz fontos mivel éppen az M s hőmérséklet felett van. Az látszik, hogy azonos hőmérsékleten a 0,1 s -1 alakváltozási sebességnél szükséges a legnagyobb feszültség (105MPa), hogy végbe menjen a szakítás. 0,01 és 0,001 s -1 alakváltozási sebesség szakító diagramja közel azonos, 80MPa feszültséggel. 120 100 22MnB5 900 C True tress, MPa 80 60 40 20 0 0,00 0,05 0,10 True strain, mm 0,1 alakváltozási sebesség 0,01 alakváltozási sebesség 0,001 alakváltozási sebesség 30. ábra 22MnB5 900 C szakítódiagramja különböző alakváltozási sebességgel 48
31. és 32. ábrán pedig megnézem ugyan ezzel az anyaggal (22MnB5), de most egy kisebb hőmérsékleten 700 C-on, és egy még kisebb hőmérsékleten 500 C-on ugyan úgy 3 különböző alakváltozási sebességekkel, hogy hogyan változik a diagram. True stress, MPa 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 22MnB5 700 C 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 True strain, mm 0,1 alakváltozási sebesség 0,01 alakváltozási sebesség 0,001 alakváltozási sebesség 31. ábra 22MnB5 700 C szakítódiagramja különböző alakváltozási sebességgel 22MnB5 500 C True stress, MPa 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0,1 alakváltozási sebesség 0,01 alakváltozási sebesség 0,001 alakváltozási sebesség 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 True strain, mm 32. ábra 22MnB5 500 C szakítódiagramja különböző alakváltozási sebesség 49
Látszik, hogy 700 C és 900 C-on nem változik a szakító diagram, csak annyiban, hogy kevesebb feszültség szükséges a szakításhoz. 500 C-on a 0,01 s -1 alakváltozási sebességhez kell a legnagyobb feszültség. Látható, hogy 900 C-on szükséges a legkisebb erő a szakításhoz, 700 C-on és 500 Con egyre nagyobb szükséges. Most pedig megnézem a 22MnB5 külön-külön minden alakváltozási sebességgel 500 C, 700 C, és 900 C-on, hogy változik a diagram. 22MnB5 0,1 alakváltozási sebességgel True stess, MPa 450 400 350 300 250 500 C 200 700 C 150 100 900 C 50 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 True strain, mm 33. ábra 22MnB5 szakítódiagramja 0,1 alakváltozási sebességgel Ezen a diagramomon is jól látható, hogy a hőmérséklet nagyban befolyásolja a feszültség értékét. 34. ábrán pedig a 22MnB5 anyag 0,001 s -1 alakváltozási sebesség mellet látható. Majd a 35. ábrán a 22MnB5 anyag 0,01 s -1 alakváltozási sebességgel látható. 50
Korszerű autóipari nagyszilárdságú acéllemezek vizsgálata 22MnB5 0,001 alakváltozási sebességgel 350 True stress, MPa 300 250 500 C 200 700 C 150 900 C 100 50 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 True strain, mm 34. ábra 22MnB5 szakítódiagramja 0,001 alakváltozási sebességgel 22MnB5 0,01 alakváltozási sebességgel 500 450 True stress, MPa 400 350 300 250 500 C 200 700 C 150 900 C 100 50 0 0,00 0,02 0,04 0,06 True strain, mm 0,08 0,10 0,12 35. ábra 22MnB5 szakítódiagramja 0,01 alakváltozási sebességgel Most pedig megvizsgálom különböző hőmérsékleten, és különböző alakváltozási sebesség mellet a DP-s acélokat is. Elsőnek 500 C-on nézem meg. Ezt mutatja a 36. ábra. 51
600 500 0,01 alakváltozási sebesség, 500 C True stress, MPa 400 300 200 100 DP800 DP600 DP1000 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 True strain, mm 36. ábra 500 C-on 0,01 alakváltozási sebességgel a DP acélok szakító diagramja A diagramból is jól látható, hogy nincs folyási határuk. DP800 és DP1000 szakító diagramja azonos, a DP600 anyagnak kell kisebb feszültség a szakításhoz. Most pedig megnézem 700 C, és 900 C-on. Ezt mutatja a 37. és 38. ábra. 250 0,01 alakváltozási sebesség, 700 C 200 True stress, MPa 150 100 50 DP800 DP600 DP1000 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 True strain, mm 37. ábra 700 C-on 0,01 alakváltozási sebességgel a DP acélok szakító diagramja 52
True stress, MPa 0,01 alakváltozási sebesség, 900 C 160 140 120 100 80 DP800 60 DP600 40 DP1000 20 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 True strain, mm 38. ábra 900 C-on 0,01 alakváltozási sebességgel a DP acélok szakító diagramja Következőkben pedig megnézem egy diagramon, a nyári gyakorlaton vizsgált anyagokat 0,01 s -1 alakváltozási sebességgel 900 C, 700 C, és 500 C-on. True stress, MPa 0,01 alakváltozási sebesség, 900 C 160 140 120 100 DP800 80 DP600 60 DP1000 40 22MnB5 20 DC01 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 True strain, mm 39. ábra 900 C-on és 0,01 alakváltozási sebességgel a szakítódiagram az összes vizsgált anyagnak 53
250 0,01 alakváltozási sebesség, 700 C True stress, MPa 200 150 100 50 DP800 DP600 DP1000 22MnB5 DC01 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 True strain, mm 40. ábra 700 C-on és 0,01 alakváltozási sebességgel a szakítódiagram az összes vizsgált anyagnak 600 500 C és 0,01 alakváltozási sebesség True stress, MPa 500 400 300 200 100 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 True strain, mm DP600 DP800 DP1000 22MnB5 DC01 41. ábra 500 C-on és 0,01 alakváltozási sebességgel a szakítódiagram az összes vizsgált anyagnak 54
Az előző diagramokon (39. 40. 41. ábra) a 22MnB5, DP acélok (600, 800, 1000), és a DC01 acél szakítódiagramjai látható 500 C-oon, 700 C-on és 900 C-on, 0,01 s -1 alakváltozási sebesség mellett. A 41. ábrán jól látható hogy a DP acélok szilárdság növekvő hatása, mivel 500 C és 0,01 s -1 alakváltozási sebesség mellett egyre növekszik. A 22MnB5 és a DP600 körülbelül ugyanakkora szakító szilárdsággal rendelkeznek, ezektől az pedig a további DP acélok növekedő tendenciát mutatnak. A legkisebb értéke a DC01-es acélnak van kb. 260MPa. Megfigyelhető még, hogy egyik anyag görbéjén sincs folyási szakasz, valamint nagyon egyenletes a nyúlás minden acélnál. A nyúlás mértéke a DC01-nél a legnagyobb, a többinél közel azonos. DC01 alakítható a legjobban, de a legnagyobb szilárdsága a DP800, és DP1000 acélnak van. 55
5.2 Súrlódási együtthatók értelmezése Koptató vizsgálat során minden egyes próbatesten 2-2 vizsgálatot végeztem el a rendelkezésre álló ZrO 2 golyó ellenpárral. A kapott kopásnyomokon további különböző kiegészítő vizsgálatokat végeztem, amelyek a kopási viselkedésről nyújtanak információt. A kopási viselkedés egyik legfontosabb jellemzője a súrlódási együttható. Általában amelyik anyagnak nagyobb a súrlódási együtthatója, annak koptatás a nagyobb mértékű kopási anyagveszteséggel jár. Az UNMT-1 koptató berendezés a vizsgálat során a hozzákapcsolt számítógép segítségével folyamatosan méri és rögzíti a normálirányú terhelőerőt, valamint a súrlódó erőt az elmozdulási úthossz függvényében, majd ennek alapján határozza meg a súrlódási együtthatót [31]. A vizsgálat során megjeleníthetjük a súrlódási együttható - úthossz diagramot, és a mérőszám átlagértékeinek meghatározásával már a vizsgálat során tudunk következtetni az anyag-ellenpár alkotta triborendszer viselkedésére. A 42. és 43. ábrákon bemutatott diagramok segítségével az általam vizsgált anyagokon elvégzett 2-2-mérés eredménye közül 1-1 jellemző esetet mutatok be. Súrlódási együttható, μ 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 20 40 60 80 100 Megtett úthossz, m DC01 DP1000 bevonatos DP600 DP800 DP1000 DP1200 DP1400 42. ábra A vizsgálat során felvett súrlódási együttható úthossz diagram 56
Súrlódási együttható, μ 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 22MnB5 22MnB5 olajban edzve 22MnB5 levegőn edzve 0 20 40 60 80 100 Megtett úthossz, m 43. ábra különböző módon hőkezelt 22MnB5 anyag súrlódási együttható úthossz diagram A kopási viselkedés jellemzésére a legalkalmasabb a súrlódási együttható állandósult értéke:µ ss, mivel a súrlódási együttható átlagértékét befolyásolja a kezdeti bekopás szakasza, emellett véletlenszerű hatások is befolyásolják a kopási viselkedést. A diagramokból jól látható, hogy aµ ss állandósult súrlódási együttható értékét a legtöbb esetben már a teljes úthossz 60%-nál elértük, de annak értékét egységesen a csúszási úthossz utolsó 20%-án mért értékek átlagaként határoztam meg. Az így kapott állandósult súrlódási együtthatók értékeit összefoglalóan a 4. táblázatban mutatom be. 6. táblázat Az állandósult súrlódási együtthatóértékei Anyag Állandósult súrlódási együttható, µ ss DP600 0,335 DP800 0,340 DP1000 0,370 DP1000 bevonatos 0,345 DP1200 0,315 DP1400 0,270 DC01 0,305 22MnB5 0,340 22MnB5 levegőn edzve 0,500 22MnB5 olajban edzve 0,485 57
A kapott eredményekből látható, hogy az állandósult súrlódási együttható értéke a különféle lemezeanyagokon0,27 0,5 között változott. A legkisebb súrlódási együttható a DP1400 anyagminőségen adódott, a legnagyobb a levegőn edzett 22MnB5 lemezminőség esetében. A DP600, DP800, DP1000 anyagminőségek esetén a µ ss értéke növekvő tendenciát mutat, értéke rendre 0,335; 0,340; és 0,370, ugyanakkor ezekhez képest a DP1200 és DP1400 lemezanyagok koptatásakor kapott µ ss értéke számottevően kisebb: 0,315 és 0,270. A DP1000 anyagra felvitt bevonat a lemez súrlódási együtthatóját 0,370-ről 0,345-re csökkentette. A 22MnB5 lemezanyag a DP 600-DP1000 acélokéval összemérhető,0,340 súrlódási együtthatót mutat, ugyanakkor az edzés hatására a súrlódási együttható jelentősen megnövekedett, feltehetően a nagyobb keménységű kopási törmelék abrazív koptató hatása miatt. A levegőn edzett mintadarabok µ ss értéke 0,500, míg az olajban edzetteké 0,485 volt. Az állandósult súrlódási együttható értékeit összefoglalóan a 44. ábrán látható oszlopdiagram mutatja be. 0,50 0,5 0,485 DP600 DP800 súrlódási együttható,µss 0,45 0,40 0,35 0,30 0,335 0,34 0,37 0,345 0,315 0,27 0,305 0,34 DP1000 DP1000 bevonatos DP1200 DP1400 DC01 22MnB5 0,25 0,20 22MnB5 olajban edzve 22MnB5 levegőn edzve 44. ábra Az állandósult súrlódási együttható értékei 58
5.3 Kikopott térfogat és azokból származtatható kopási jellemzők A profilometriai vizsgálatokat a Miskolci Egyetem Gyártástudományi Intézetének segítségével végeztem el egy AltiSurf 520 típusú háromdimenziós felülettopográfiai berendezésen. A nagyfelbontású CCD kamerával felszerelt berendezés háromféle üzemmódban képes felületgeometriai vizsgálatok elvégzésére: érintkezésmentesen CL2 jelű konfokális optikai fejjel, LK-G32 jelölésű lézeres érzékelővel, valamint érintkezéses üzemmódban gyémánt tapintócsúcsos induktív fejjel. Az első esetben a felületre merőleges irányú felbontás maximum 0,012 μm, a második üzemmódban 1-3 μm, míg a harmadik esetben 0,2-0,4 μm[26]. A vizsgálatok során minden kopásnyomon 4 kikopott keresztmetszet területét mértük meg, a kopásnyom 90 -os elforgatása mellett. A kikopott keresztmetszet értékekből kiszámoltam a kikopott térfogatok értékét, amelyek tehát egy kopásnyom esetén 4 kikopott keresztmetszet méréséből származó átlagértékek. A 45. ábra a kikopott térfogateredményeket szemlélteti az összes vizsgált anyagminőségre oszlopdiagram formájában. 0,09 0,0838 DP600 DP800 kikopott térfogat 0,07 0,05 0,03 0,01 0,0018 0,0067 0,0029 0,0133 0,0021 0,0034 0,0067 0,0027 0,0029 DP1000 DP1000 bevonatos DP1200 DP1400 DC01 22MnB5-0,01 22MnB5 olajban edzve 22MnB5 levegőn edzve 45. ábra Profilometriai vizsgálatok segítségével meghatározott kikopott térfogat értékei A kikopott keresztmetszet értékek összehasonlításával megállapítható, hogy a DP acélok kopással szembeni ellenállása jobb, mint a 22MnB5 acélé. Az is látszik, hogy a22mnb5 lemezanyagot olajban és levegőn edzve sokkal kisebb a kikopott térfogat, mint az edzés nélküli acélon, vagyis javul a kopási ellenállás. Érdemes megjegyezni, 59
hogy ugyanezen anyagminőségeknél a súrlódási együttható viszont az edzett állapotú daraboknál volt a nagyobb. A látszólagos ellentmondás oka, hogy az edzetlen állapotú anyagnál feltehetően más kopási mechanizmus uralkodik, például nagy sebességű filmképződéssel és leválással járó tribokémiai kopás, míg az edzett darabok esetében a nagyobb súrlódást okozó, de kisebb anyagveszteséggel járó háromtestes abrazív kopás a domináns. Hasonlóan kopási mechanizmus változás feltételezhető a bevonat nélküli és a bevonatosdp1000 acélok esetén, mivel ez utóbbi anyagnál jelentősen nagyobb volt a kikopott térfogat. A kikopott térfogat értékek ismeretében számítható a fajlagos kopási sebesség, a dolgozatomban korábban ismertetett módon. 5.4 Fajlagos kopási sebesség A kikopott keresztmetszet értékéből egyszerűen ki tudjuk számolni a fajlagos kopási sebesség értékét, amelynek nagyságrendjéből a kopás intenzitására tudunk következtetni. Az előzőkben bemutatott számítások alapján meghatároztam a k fajlagos kopási sebességeket, amelyeket a 46. ábra szemléltet. A kapott értékek a kikopott térfogatnak a terhelőerőre és a kopási úthosszra vonatkoztatott fajlagos értékei, amelyeket a vizsgálatok során nem változtattam, így a fajlagos kopási sebesség diagram a kikopott keresztmetszetre bemutatott diagrammal azonos jellegű. Összességében a kopási ellenállással összefüggő mért és számított jellemzők alapján a vizsgált alapanyagok közül a kopás szempontjából legkedvezőbb anyag a DP600 volt. Ehhez hasonlóan kicsiny kopást mutatott a DP1200 anyag, amelyekkel azonos nagyságrendű volt a kopása még a DP1000 és 1400 anyagnak is. érdemes megemlíteni, hogy miközben a 22MnB5 anyag kopási ellenállása kiugróan rosszabb volt, mint az összes többi vizsgált lemezanyagé, addig ennek edzett változatain mért fajlagos kopási sebességmegközelítetteazokét (DP600, D1000, DP1200, D1400), amelyek a vizsgált anyagok közül a legkopásállóbbak voltak. 60
k átlag, mm 3 /Nm 2,50E-05 2,00E-05 1,50E-05 1,00E-05 5,01E-06 4,44E-07 1,68E-06 7,17E-07 3,33E-06 5,26E-07 8,47E-07 1,68E-06 2,09E-05 6,65E-07 7,17E-07 DP600 DP800 DP1000 DP1000 bevonatos DP1200 DP1400 DC01 22MnB5 1,00E-08 22MnB5 olajban edzve 22MnB5 levegőn edzve 46. ábra A fajlagos kopási sebesség értékeinek összehasonlítása 5.5 Kopásmorfológiai vizsgálatok A kopásnyomok morfológiai elemzése céljából optikai mikroszkópos vizsgálatokat végeztem Axio Observer D1m (Zeiss) inverz optikai mikroszkóp segítségével. A vizsgált lemezanyagok jellegzetes kopásnyomait kétféle, N=25, és N=100 nagyításban mutatja be a 7. táblázat. A felvételeken jól látszik, hogy a legkeskenyebb kopásnyomok az előző pontban említett, legkisebb kopási sebességet mutató lemezanyagokon a DP600, DP1000, DP1200, DP1400 illetve az edzett 22MnB5 lemezeken keletkeztek. Ezek felületi keménysége (47. ábra) meghaladta a széles kopásnyomokat mutató lágyabb anyagokét. A 47. ábrából jól látható, hogy a DP 1000 lemezanyagon készültbevonat gyenge kopással szembeni ellenállást mutat, és a szintén kis keménységű DC01 és22mnb5 lemezanyagokhoz hasonlóan itt széles kopásnyommal, nagy anyagveszteséggel járó kopási károsodás lépett fel. Tehát a felületi keménység és a kopási anyagveszteség között szoros kapcsolatot tapasztaltam. A DP 800, DC01 és 22MnB5 lemezanyagok kopásnyomai nagy sebességű tribofilm képződést sejtetnek, amelynek leválása a felületről nagy kopás anyagveszteséget eredményez. A tribológiai vizsgálatok bemutatott eredményei hasznosak lehetnek nemcsak a vizsgált lemezek alakítás közbeni károsodása, hanem a szerszámkopás előrejelzése céljából is, hiszen a lemezanyagok kopása szorosan összefügg a 61
Korszerű autóipari nagyszilárdságú acéllemezek vizsgálata szerszámanyagok kopási jellemzőivel felület- és anyagminőségével is, [32, 33], azaz a lemez/szerszám alkotta teljes triborendszer tulajdonságaival. 7. táblázata kopásnyomok morfológiai elemzését segítő optikai mikroszkópos felvételek DP600 (N=25x) DP600 (N=100x) DP1400 (N=25x) DP1400 (N=100x) DP800 (N=25x) DP800 (N=100x) DC01 (N=25x) DC01 (N=100x) DP1000 (N=25x) DP1000 (N=100x) 22MnB5 (N=25x) 22MnB5 (N=100x) DP1000 bevonatos (N=25x) DP1000 bevonatos (N=100x) 22MnB5 olajban edzve (N=25x) 22MnB5 olajban edzve (N=100x) DP1200 (N=25x) DP1200 (N=100x) 22MnB5 levegőn edzve (N=25x) 22MnB5 levegőn edzve (N=100x) 62