Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar BSc Anyagtechnológia Szakirány Autóiparban felhasznált nagyszilárdságú acélok Nagyszilárdságú acélok melegalakítása Kajtár Levente, CBIHIB 2941, Ács Vásárhelyi Pál u. 19.
Szakdolgozat kiírás! (Ide befűzendő a kétoldalas kiírás oldalszám nélkül) 2
3
TARTALOMJEGYZÉK TARTALOMJEGYZÉK... 4 1 BEVEZETÉS... 6 2 IRODALMI ÁTTEKINTÉS... 8 2.1 HAGYOMÁNYOS NAGYSZILÁRDSÁGÚ ACÉLOK ÉS FELHASZNÁLÁSUK... 9 2.1.1 Lágyacélok (Mild steels)... 9 2.1.2 Interstíció mentes (IF) acélok... 9 2.1.3 Bake Hardenable (hevítésre kiválásosan keményedő acélok)... 10 2.1.4 Izotropikus acélok (IS-steels)... 10 2.1.5 Karbon-Mangán acélok (CM steels)... 10 2.1.6 Nagy szilárdságú, gyengén ötvözött acélok (HSLA steels)... 11 2.2 KORSZERŰ NAGYSZILÁRDSÁGÚ ACÉLOK ÉS FELHASZNÁLÁSUK... 12 2.2.1 Duplex Acélok (DP steels)... 12 2.2.2 TRIP (Fázis átalakulás indukálta képlékenység) acélok (TRIP steels)... 14 2.2.3 Összetett fázisú acélok (Complex Phase steels)... 16 2.2.4 Martenzites acélok (MS)... 17 2.2.5 Ferrit-Bainites acélok (FB steels)... 18 2.2.6 TWIP (Ikerképződés indukálta képlékenység) acélok, (TWIP steels)... 19 2.2.7 Melegalakításra kifejlesztett acélok (HF steels)... 20 2.2.8 Alakítás után hőkezelt acélok (PFHT steels)... 21 2.2.9 Korszerű nagyszilárdságú acélok... 23 2.3 A MELEGALAKÍTÁS BEMUTATÁSA... 25 2.3.1 A melegalakítás metallográfiai háttere... 25 2.3.2 A melegalakítás fajtái... 29 2.3.3 A Rába Járműipari Holding Nyrt. és a Rába Futómű Kft. valamint az itt szerzett tapasztalatok bemutatása... 30 2.4 AZ AUTÓ IPARBAN ALKALMAZOTT MELEGALAKÍTÁS, A LEMEZ MELEGSAJTOLÁS ISMERTETÉSE... 37 2.4.1 Hevítés... 38 2.4.2 Alakítás... 42 2.4.3 Edzés... 44 2.4.4 Végső tulajdonságok... 45 2.5 A MELEGALAKÍTÁSRA KIFEJLESZTETT BÓRRAL ÖTVÖZÖTT MANGÁN ACÉLOK, AZON BELÜL A 22MNB5 JELŰ ACÉL METALLOGRÁFIAI TULAJDONSÁGAINAK, ÉS FELHASZNÁLÁSÁNAK BEMUTATÁSA... 47 2.5.1 Kémiai összetétel, ötvözők hatásai... 47 2.5.2 Mechanikai tulajdonságok... 48 2.5.3 Bevonatolás... 54 4
2.5.4 Autóipari alkalmazási területek... 55 3 A 22MNB5 ACÉLON VÉGZETT VIZSGÁLATOK... 56 3.1 A GLEEBLE 3500 BEMUTATÁSA... 56 3.2 A VIZSGÁLATOKHOZ HASZNÁLT ANYAG TULAJDONSÁGAI... 60 3.2.1 Saját vizsgálatok által meghatározott értékek... 60 3.2.2 Mikroszkópi vizsgálatok... 62 3.3 A GLEEBLE 3500 FIZIKAI SZIMULÁTORRAL ELVÉGZETT VIZSGÁLATOK... 64 3.3.1 22MnB5 melegszakító vizsgálatok... 64 3.3.2 DP acélok melegszakító vizsgálatai... 66 3.3.3 A 22MnB5 összehasonlítása a DP acélokkal... 67 3.3.4 Kontrakció melegszakító vizsgálatok esetén... 69 3.3.5 A Gleeble 3500 program és valódi hőntartási hőmérsékletei közötti különbség... 69 3.3.6 Autóipari alkalmazásban elérhető előnyök a vizsgálatok eredményei alapján.... 73 3.3.7 Kutatás további iránya... 73 4 ÖSSZEGZÉS... 74 5 SUMMARY... 75 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS... 76 ÁBRAJEGYZÉK... 77 IRODALOM JEGYZÉK... 80 5
1 Bevezetés Az elmúlt évtizedekben az autó karosszéria elemekhez felhasznált anyagoknál a fő irányelv az autók tömegének csökkentése volt. Ezért került előtérbe a nagy szilárdságú acélok, könnyűfémek és szálerősítésű kompozit anyagok kifejlesztése és felhasználása; ezek közül az acélokat alkalmazzák legnagyobb mennyiségben. Az autóiparban felhasznált acélok az elmúlt évtizedekben jelentős és gyors fejlődésnek indultak, ezt a rohamos fejlődést, több, gyakran ellentmondásos igény jelenléte segítette elő. Felhasználói oldalról a gépjárművekkel szemben támasztott követelmények szerint a modern járművek fogyasztását minél alacsonyabb szintre kell csökkenteni, ezáltal az üzemanyag költségeket is mérsékelni, továbbá a káros anyagok kibocsátásának minimalizálása is elérendő cél. Természetesen mindemellett az így készített járművek fokozott biztonságot is kell, hogy nyújtsanak a felhasználók számára. Ezek az igények a formatervezésen és a motorok teljesítmény növelésén kívül elsősorban a karosszéria elemek tömegének csökkentésével érhetők el. Így tehát gyártói oldalról elsődleges szempont olyan alapanyagok felhasználása, amelyek az előzőkben vázolt komplex követelményeknek képesek megfelelni. Az acélgyártás fejlődésével létrejöttek ezeknek az igényeknek eleget tevő acélok, amelyek a korábban felhasznált acélokhoz képest, készre alakított alakban jelentős szilárdságot képesek biztosítani a megfelelő gyártási paraméterek alkalmazása mellett, a gyártási költségeket is mérsékelve. A képlékenyalakítás az acélmegmunkálás egyik leggazdaságosabb formája, ám a jelen kor új acéljainak alakításához új gyártási technológiák is szükségesek. Ezek egyik fontos csoportját képezik azok az eljárások, amelyek a melegalakítás elvét alkalmazzák. Az autóiparban használt meleg lemezalakító eljárás a melegsajtolás (Hot Pressing, Hot Stamping) néven ismert technológia. Ezen eljárás során a munkadarabot a készre alakítás befejeztével a szerszámban eddzük, így bonyolult alakú és nagyszilárdságú elemek állíthatók elő. A melegalakítás nagy előnye ezen felül az alakításhoz szükséges energia csökkenése, mivel az acél austenites hőmérsékleten a ferrit- perlites szövetszerkezethez képest lényegesen nagyobb nyúlásra is képes, miközben a folyáshatára a töredékére csökken [1][2][3]. 6
A melegalakítás témakörével szakmai gyakorlatom során közelebbről is megismerkedhettem a Rába Futómű Kft.-nél. A cégről és az ott szerzett tapasztalatokról a Melegalakítás témakörnél bővebben beszámolok. Szakdolgozatom első részének témája a mára már hagyományosnak nevezett nagyszilárdságú acélok és a korszerű nagy szilárdságú acélok áttekintése: a melegalakítás és a melegalakító eljárások ismertetése, valamint napjainkban az autóiparban használt, általában melegen alakított acélok bemutatása. A számos acélminőség közül, a 22MnB5 jelű, kimondottan melegalakításra kifejlesztett acélt részletesen elemzem, valamint tulajdonságainak vizsgálatát és az eredmények kiértékelését végzem el. A kapott eredmények és az acél alkalmazási területeinek vizsgálata alapján következtetéseket lehet levonni az alkalmazásával elérhető eredményekre. 7
2 Irodalmi áttekintés Ebben a fejezetben célom a nagyszilárdságú acélok összefoglalása, felhasználásuk szempontjából lényeges tulajdonságaik és a mögöttük lévő metallográfiai okok rövid leírása, valamint felhasználásuk során a fontosabb alkalmazási területek bemutatása. Az alábbi (2.1.1. ábra és 2.1.2. ábra) mutatják a hagyományos acélok (mild, IF), a hagyományos nagyszilárdságú acélok (HSS), illetve a korszerű nagyszilárdságú acélok (AHSS), teljes nyúlásának változását a folyáshatárral, illetve a szakító szilárdsággal. 2.1.1. ábra A hagyományos és korszerű nagyszilárdságú acélok teljes nyúlása a folyáshatár függvényében [2]. 2.1.2. ábra A hagyományos és korszerű nagyszilárdságú acélok teljes nyúlása a szakítószilárdság függvényében [2] 8
2.1 Hagyományos nagyszilárdságú acélok és felhasználásuk Ezen acélok szilárdsága a korábban alkalmazott lágyacélokéhoz képest, 2- szer vagy akár 3-szor nagyobb is lehet. Tulajdonságaik az ötvözöttség, valamint a hőkezeltségi állapot függvényében jelentősen eltérőek és más-más területeken biztosítanak kedvezőbb alkalmazhatóságot. Ma már általánosan alkalmazzák mind az autóiparban, mind pedig különféle szerkezeti elemekként. Az acélok fejlődésével azonban már ezeknél is újabb, korszerűbb, meghatározott szempontok szerint kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkező acélokat is kifejlesztettek. 2.1.1 Lágyacélok (Mild steels) A világon széleskörűen felhasznált acélok jelentős részét képezik az ötvözetlen acélok, amelyeknél ferrites, illetve ferrit-perlites szövetszerkezet a leginkább jellemző, ebből következően az alakíthatóságuk általában jónak mondható, ugyanakkor a szilárdságuk kicsi az új fejlesztésű acélokhoz képest [1][2]. 2.1.2 Interstíció mentes (IF) acélok Ezeket az acélokat csekély mennyiségű interstíciós elemmel gyártják, amelynek köszönhetően jellemzően nem keletkezik Cottrell atmoszféra 1, így ezek az acélok nagy nyúlással, és jó alakíthatósággal rendelkeznek. Alakítási keményedésük minimális. A felső és alsó folyáshatár közti különbség hiányából fakadóan alakításkor Lüder s vonalak 2 nem képződnek. Mélyhúzhatóságuk jelentősen jobb az alumíniummal nyugtatott lágy acélokénál. Lágyító hőkezelések ritkábban szükségesek, bonyolult formák esetén egy vagy több húzási lépés is elhagyható. A készített darab finom felületű. A nagy szilárdságú IF acélokat széleskörűen alkalmazzák szerkezeti elemek és teherviselő szelvények anyagaként [1][2][4]. 1 Ez az a jelenség, amikor a diszlokációk által kitágított rácshézagokba interstíciós atom ékelődik, így akadályozva a diszlokációk mozgását valamint lokálisan nyomófeszültséget hozva létre. 2 Az alakváltozás nem egyenletesen, hanem lokálisan jelentkezik az anyagban, a felületen szemmel látható képlékenyen nyúlt szakaszok jelentkeznek, amelyeket rugalmasan nyúlt zónák határolnak. 9
2.1.3 Bake Hardenable (hevítésre kiválásosan keményedő acélok) A Bake Hardening egy karbon diffúzió révén, alakítási keményedést eredményező eljárás. Ezek az acél típusok alapvetően ferrites mikroszerkezetűek, amelyek sajátossága a feldolgozás menetéből és a kémiai összetételből fakad. A bennük oldott karbon csak az alakítást követő, jellemzően kisebb hőmérsékletű kezelés (általában a festés utáni ráégetés folyamata, amely 170 C körül van) vagy huzamosabb idejű hevertetés során válik ki. A Cottrell atmoszféra hatására a folyáshatár jelentősen megnő. A későbbiekben felsorolt acélok egy része rendelkezik ezzel a tulajdonsággal, így a megmunkálással elért szilárdság tovább nő e folyamat során [1][2][5][6]. 2.1.4 Izotropikus acélok (IS-steels) Főként ferrites szövetszerkezetű acélok, minden irányban azonos szilárdsági tulajdonságokkal rendelkeznek. Az acél izotropikus tulajdonságait a globulitos (gömbös) szemcsék adják. Mélyhúzáskor a fülesedésre jellemző r érték igen csekély, vagyis nagy perem magasságú darabok is lényeges fülesedés nélkül alakíthatók belőle. Autók belső alkatrészei és külső felületi elemek egyaránt készíthetők ebből az anyagból [1][2][5][7]. 2.1.5 Karbon-Mangán acélok (CM steels) A szénacélok mangán tartalmát gyakran megnövelik az edzési mélység, a szívósság illetve a szilárdság növelése érdekében. Azokra a szénacélokra, amelyek mangán tartalma 1,2% és megközelítőleg 1,8% között van, karbonmangán acélként hivatkoznak. A kisebb karbon tartalmú (<0,2%) acélok esetén a mangán alapvető szilárdságnövelő elem. Amennyiben 1%-nál nagyobb tömegszázalékban van jelen, akkor a mangán a ferrit szilárdságát növelő, lágy, szilárdan oldódó elem, ami jó alakíthatóságot is biztosít melegen hengerelt és hidegen hengerelt lemezeknél és szalagoknál. Nagyobb mangántartalmú acélokból készülő elemek edzhetők és nemesíthetők, így megnövelt szilárdsággal és szívóssággal rendelkeznek. Amennyiben szerkezeti elemként alkalmazzák, ahol megnövelt szívósság szükséges, akkor kis mennyiségű alumíniumot adnak az összetételhez így szemcsefinomodást érve el [2][5][8]. 10
2.1.6 Nagy szilárdságú, gyengén ötvözött acélok (HSLA steels) Ezek az acélok kis karbon tartalom mellett a mikroötvözők révén nyernek jó mechanikai tulajdonságokat. Jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, valamint esetenként jobb korrózió ellenállással is bírnak, mint a hengerelt szénacélok. Mivel ezeknél az acéloknál a nagyobb szilárdság kis karbon tartalom mellett érhető el, sok HSLA acél hegeszthetősége megközelíti vagy meg is haladja a lágy acélokét. A kis átmeneti hőmérsékletnek köszönhetően ezek az acélok ellenállóbbak a ridegtöréssel szemben. A nagyszilárdságú, kis ötvöző tartalmú acélok csoportja több acél fajtát foglal magában, amelyeket különféle tulajdonságok (szilárdság, szívósság, alakíthatóság, hegeszthetőség, környezeti korrózióállóság) együttes igényének kielégítése érdekében fejlesztettek. Ezek az acélok ugyan ötvözöttek, de az ötvöző tartalom csekély mennyisége miatt, áruk közelebb áll az ötvözetlen acélokéhoz. Gyártásukkor az elsődleges szempont inkább a szükséges mechanikai tulajdonságok megléte, mint a meghatározott kémiai összetétel, így a konkrét ötvöző tartalmat az acélgyártó belátására bízzák [1][2][5]. 11
2.2 Korszerű nagyszilárdságú acélok és felhasználásuk Ezek az acélok a korábban említettekhez képest nagyobb szilárdsági jellemzőkkel rendelkeznek, azonos, esetenként jobb alakíthatósággal. Az ebbe a csoportba tartozó acélokat jellemzően austenit, vagy austenit és ferrit fázisból, szabályozott hűtéssel állítják elő, vagy a meleghengerlés végső szakaszában (melegen hengerelt termék esetén), vagy a folyamatos lágyítás hűtő szakaszában (folyamatosan lágyított, vagy meleg bevonatolt termékeknél). Alapvető különbség a hagyományos nagyszilárdságú acélokkal szemben, hogy ezekben az acélokban a ferrit, perlit fázisokon kívül számottevő, egyedi mechanikai tulajdonságokat lehetővé tevő kemény fázisok is jelen vannak, mint a martenzit, a bainit és a maradó austenit [2]. 2.2.1 Duplex Acélok (DP steels) 2.2.1. ábra A Duplex acélok szakítószilárdság teljes nyúlás diagramja [2] 2.2.2. ábra A duplex acélok szövete [2] 12
Ezek az acélok bár felépítésükben hasonlók a HSLA acélokhoz, jelentőségük miatt új, önálló osztályt alkotnak. A duplex más néven kettős fázisú acélok, szerkezete általában 80-90% ferritből és 10-20% martenzitből áll. Felépítését tekintve ferritbe ágyazott martenzit szigetek alkotják. (2.2.2. ábra) Ezt a szövetszerkezetet 0,1% karbon tartalmú acél, interkritikus hőmérsékleti tartományból való gyors hűtésével érik el, a martenzit képződést hozzáadott 1-1,5% Mn segíti elő, egyéb ötvözők is megtalálhatók a mangán mellett más tulajdonságok javítása érdekében. Annak ellenére, hogy főként ferrit és martenzit alkotja a szövetszerkezetet, (ami miatt az acél a nevét is kapta), kis mennyiségben, bainit és maradó austenit is jelen lehetnek. Ezek az acélok nem rendelkeznek határozott folyáshatárral, ezért úgy alakíthatók, mint a kis szilárdságú acélok, azonban a késztermék a jelentős alakítási keményedés révén nagy szilárdságot ér el. Ugyancsak fontos megjegyezni, hogy ezen acéloknál a Bake Hardening hatás is érvényesül, így jelentősen nő a folyáshatár, ennek mértéke függ az acél kémiai összetételétől. Ezeket az acélokat akkor alkalmazzák, amikor a HSLA acélokéhoz hasonló alakíthatóságra, de azokénál nagyobb szilárdságra van szükség (2.2.3. ábra). 2.2.3. ábra A DP és a HSLA acélok feszültséghez társuló nyúlás görbéi [2] Hegeszthetőség szempontjából ezek az acélok jól ellenállás-pont hegeszthetők a kis karbon-egyenérték miatt [1][2][5][10], ami az autó karosszéria elemek gyártásánál fontos szempont. 13
2.2.2 TRIP (Fázis átalakulás indukálta képlékenység) acélok (TRIP steels) 2.2.4. ábra A TRIP acélok szakítószilárdság teljes nyúlás diagramja [2] 2.2.5. ábra a TRIP acél szövete [2] A TRIP acélok kimagasló szilárdsággal és képlékenységgel rendelkeznek a mikroszerkezetüknek köszönhetően, ami elsődlegesen ferrit mátrixba ágyazott maradó austenit (2.2.5. ábra). A minimum 5 térfogatszázalék maradó austenit mellett, változó mennyiségben kemény fázisok, bainit és martenzit is jelen vannak. Nagyobb szilícium és karbon tartalom a maradó austenit térfogathányadának növekedését okozza a végső mikroszerkezetben. Deformáció során a DP acéloknál is megfigyelhető, nagymértékű felkeményedés jelentkezik, a lágy ferritben diszperzen elhelyezkedő kemény fázisoknak köszönhetően. Emellett a TRIP acélok maradó austenit tartalma fokozatosan martenzitté alakul alakváltozás hatására, ezáltal növelve az alakítási keménységet nagyobb igénybevételek esetén. Ezen felül figyelembe kell venni, hogy a martenzites átalakulás során a térfogat változásból következően, az anyagban, maradó feszültség is keletkezik, ezzel tovább növelve a szilárdságot, illetve ezek az 14
acélok erős Bake Hardening hatással is rendelkeznek. A kezdeti alakítási keményedés mértéke kisebb, mint a DP acéloké, de nagyobb mértékű alakítás során is megmarad, ahol a DP acélok alakítási keménysége már csökkenni kezd, ezáltal a DP acélokkal szemben, nagymértékű alakítás esetén további előnyt biztosít (2.2.6. ábra). 2.2.6. ábra A TRIP a DP és a HSLA acélok feszültséghez társuló nyúlás görbéi [2] Az alakítási keményedés mértéke a TRIP acélok esetében a hagyományos nagyszilárdságú acélokkal összevetve lényegesen nagyobb. Ez különösen akkor fontos, ha a már készre alakított darab mechanikai tulajdonságait akarjuk kihasználni. A TRIP acélok karbon tartalma nagyobb a DP acélokénál, így környezeti hőmérsékleten a maradó austenit stabil marad. A bainites átalakulás során a karbid kiválások elnyomása kritikus fontosságú, a nagyobb szilícium és alumínium tartalom gyorsítja a ferrit/bainit képződését, így elősegítik a szükséges karbon tartalom fenntartását a maradó austenitben. Az austenit martenzites átalakulásához szükséges alakítás mértéke a karbon tartalommal befolyásható. Kisebb karbon tartalom mellett a maradó austenit azonnal elkezd átalakulni deformáció hatására, növelve az alakítási keménységet és az alakíthatóságot a húzási folyamat során. Nagyobb karbon tartalom esetén a maradó austenit stabilabb és csak az alakításinál nagyobb igénybevétel esetén kezd el átalakulni, ilyenkor a maradó austenit az elkészült darabban is jelen van, és csak újabb terhelés hatására alakul át, pl.: ütközéskor. Tehát a TRIP acélok szükség szerint felhasználhatók bonyolult alkatrészek gyártása esetén a kitűnő alakíthatóságuk miatt vagy nagy alakítási keményedést mutató, ütközési energiákat kiválóan elnyelő alkatrészelemként. Ebből következik, hogy 15
különösen alkalmasak járművek szerkezeti és biztonsági elemeiként való felhasználásra, mint kereszttartók, hosszanti gerendák, B-oszlop erősítések vagy küszöb és ütköző erősítések. Az említett ötvözők a TRIP acél ellenálláspont hegeszthetőséget valamelyest rontják, de ez bizonyos mértékig kezelhető a használt hegesztési ciklusok módosításával pl.: impulzus hegesztés esetén [1][2][9][11]. 2.2.3 Összetett fázisú acélok (Complex Phase steels) 2.2.7. ábra A komplex fázisú acélok szakítószilárdság teljes nyúlás diagramja [2] Ezek az acélok nagy szakítószilárdsággal rendelkeznek, kémiai összetételük és mikrostruktúrájuk hasonló a TRIP acélokéhoz. Ezekre az acélokra kevésbé jellemző a maradó austenit jelenléte a szövetszerkezetben, viszont több kemény fázist, martenzitet és bainitet tartalmaznak. Szövetszerkezetük nagyon finom szemcseméretű ferritbe ágyazott perlitből és nagy térfogathányadú kemény fázisból áll. Nagy finomságú szövetszerkezetüket késleltetett újrakristályosodással és mikroötvözők által érik el, azonban a hozzáadott mikroötvözők, nióbium, titán és vanádium kiválásos keményedést is eredményeznek. Mechanikai tulajdonságait tekintve nem nagy a folyáshatár különbség, és nagy egyenletes nyúlással rendelkezik. A DP acélokkal összehasonlítva ezek az acélok lényegesen nagyobb folyáshatárral rendelkeznek azonos szakító szilárdság mellett, ami 800MPa vagy nagyobb is lehet. A bainites CP acéloknál a ferrit mátrixot bainit váltja fel, ezen acélok alakíthatósága jobb mert a bainit és martenzit keménységének különbsége relatíve csekély. Ezen acélok szövetszerkezete jobb alakítási nyúlással és teljes 16
nyúlással rendelkezik, mint a tisztán bainites szövetszerkezet. Ilyen acélok ellenállás-pont hegesztésére az ötvözetlen, mélyhúzható acéloknál alkalmazott felszerelés megfelelő, ugyan az elektródok összeszorító erejét növelni kell a nagyobb hegesztett terület elérése érdekében. Ajánlatos stabil és merev elektródok alkalmazása, a hegesztési idő meghosszabbítása pozitív hatással van a hegesztett területre, ezen okból kifolyólag közepes vagy hosszú hegesztési idő ajánlott ponthegesztéshez. Mivel nagy energia elnyelő tulajdonsággal és nagy maradó alakváltozási kapacitással rendelkeznek felhasználásukat tekintve ütközés szempontjából fontos elemek, biztonsági elemek gyártásához alkalmasak. Ilyenek az oldalsó biztonsági gerendák, B-oszlop erősítések, kereszt tagok, váz erősítések, szelvények, ütköző tartók és alváz elemek. A CP acélok felhasználása pl.: a B-oszlopok megerősítése esetén megduplázhatja a szilárdságot a hagyományos mikroötvözött acélokkal szemben [1][2][10][12]. 2.2.4 Martenzites acélok (MS) 2.2.8. ábra A martenzites acélok szakítószilárdság teljes nyúlás diagramja [2] A martenzites acélok biztosítják a legnagyobb szakítószilárdságot kész gyártmányok esetén; ezen acélok szilárdsága az 1500-1700 MPa értéket is elérheti. A szövetszerkezet főképp lemezes martenzitből áll, ami meleghengerlés vagy lágyítás utáni edzés során keletkezett, ez a martenzites mátrix tartalmazhat kis mennyiségben ferritet és/vagy bainitet. A többfázisú acélok között ez az acél rendelkezik a legnagyobb szilárdsággal. Ez a szövetszerkezet alakítás utáni hőkezeléssel is elérhető. Mivel ekkora szilárdság mellett a nyúlás mértéke kicsi, ezért gyakran alkalmaznak edzés utáni 17
megeresztést ezáltal növelve a képlékenységet, így jó alakíthatóságot biztosítva a nagyon nagy szakítószilárdság mellett is. Karbon hozzáadásával növelhető a martenzit keménysége és szilárdsága, valamint mangán, szilícium, króm, molibdén, bór, vanádium és nikkel különböző arányú felhasználásával növelhető az edzhetőség. A gyártás során szinte a teljes austenit mennyiség martenzitté alakul, bár a CP acélok is hasonló hűlési folyamaton mennek át, a martenzites acélok kémiai összetétele úgy van beállítva, hogy kisebb mennyiségű maradó austenitet eredményezzen és finom kiválásokat képezve erősítse a martenzit és bainit fázisokat. Ezen acélok mechanikai tulajdonságai hosszanti- és keresztirányban is azonosak. A nagy szilárdság-súly aránynak köszönhetően ez az acél több, súly csökkentésre alkalmas lehetőséget is megnyit. Tipikus alkalmazási területei a lökhárító lemez, ajtó erősítő gerendák, oldalsó küszöb erősítések, biztonsági-öv tartó pontok erősítése [1][2][10][11]. 2.2.5 Ferrit-Bainites acélok (FB steels) 2.2.9. ábra A ferrit-bainites acélok szakítószilárdság teljes nyúlás diagramja [2] Ezek az acélok melegen hengerelt termékek, mikroszerkezetük finomszemcsés ferritből és bainitből áll. Szilárdságát a szemcsék finomsága, és a bainites másodlagos fázis növeli. Fő előnye a HSLA és a DP acélokkal szemben, a vágott szélek megnövelt nyújthatósága. A HSLA acélokkal összehasonlítva azonos szilárdságú FB acélok nagyobb alakítási keményedéssel és teljes nyúlással rendelkeznek. Jó hegeszthetőségük miatt az FB acélok szabott lemezekhez (tailored blank) jól alkalmazhatók, szintén előnyük még a jó fáradási és törési tulajdonságok. Jól használhatók vibrációnak kitett 18
alkatrészekként, valamint hidegen alakított autóipari elemekként, mint szelvények, váz szerkezetek [2][13]. 2.2.6 TWIP (Ikerképződés indukálta képlékenység) acélok, (TWIP steels) 2.2.10. ábra A TWIP acélok szakítószilárdság teljes nyúlás diagramja [2] Ezek az acélok nagy mangán tartalmuk (17-24%) hatására szobahőmérsékleten is teljes mértékben, stabilan maradó austenitesek, kivételes tulajdonságaikat egy összetett szilárdságnövelő mechanizmusnak köszönhetően nyerik, melyben fontos szerepet játszik az ikerképződés. Az austenit szobahőmérsékleten alakítás hatására ε-martenzitté 3 alakul, ez után alakítás hatására ikerkristályok keletkeznek, majd csak ez után alakul térközepes köbös szerkezetűvé. Mivel a hexagonális rácsszerkezetben a csúszó síkok száma jelentősen kevesebb, mint a köbös rendszerben, ezért alakító erő hatására a csúszó síkok előnytelen orientáltsága, illetve a rétegződési hibák energiája miatt, előbb ikerkristály határok keletkeznek. Ikerképződés során az ikersíkok között, a kristályszerkezet úgymond átfordul az eredeti tükörképébe, a rétegződési hibák miatt, majd alakító erő hatására az ikerhatárokon belül, az ikersíkokkal párhuzamos síkok, azonos irányban, egymáson azonos mértékben elcsúszva, a további transzlációs csúszást lehetővé tévő helyzetbe kerülnek. Ezzel elősegítve a további alakváltozást, ami már transzlációs csúszási mechanizmus által megy végbe. A TWIP acélok fő deformálódási mechanizmusa a transzlációs csúszás, a keletkező ikerhatárok szemcsehatárként funkcionálva rövidítik a diszlokációk mozgáspályáját, így a Dinamikus Hall- Petch hatás által jelentősen megnövekedett alakítási keménységet 3 tömött hexagonális rácsú martenzit 19
eredményeznek. A Hall-Petch egyenlet szerint a szemcseméret finomságával nő a folyáshatár. R eh = R 0 + k d 0,5 (2.1) Ahol: ReH a folyáshatár [MPa], R0 szilárdsági anyag állandó [MPa], k az anyagra jellemző felkeményedési együttható (anyagonként állandó) [MPa/mm 0,5 ], d a szemcseméret [mm]. Mivel az ikerhatárok effektíve szemcsehatárként viselkednek, mechanikai szempontból olyan hatást keltenek, mintha a szemcseméret csökkenne. Az alakítás során keletkező ikerképződés csökkentheti a szilárdságot, de a fent említett szilárdság növelő hatás nagyobb mértékű. Az alakítás indukálta ikerképződéssel kapcsolatban álló nagy szilárdság és egyenletes nyúlás eléréséhez a mangánon kívül szükséges ötvözők még a karbon, a szilícium és/vagy az alumínium. Mechanikai tulajdonságokat tekintve ezek az acélok nagy folyáshatár mellett rendkívüli alakíthatósággal rendelkeznek, köszönhetően a nagymértékű egyenletes nyúlásuknak. Az acél összetételétől függően a folyáshatár akár a 1000 MPa-t is, illetve a teljes nyúlás akár a 60%- ot is elérheti [2][14][15][16][17][18][19][20]. 2.2.7 Melegalakításra kifejlesztett acélok (HF steels) 2.2.11. ábra A melegalakítható acélok szakítószilárdság teljes nyúlás diagramja [2] A meleg sajtolás ígéretes alternatívát jelent a korábbi eljárásokkal szemben, az így elkészített darabok lehetnek bonyolult geometriájú összetett elemek, és a 20
visszarugózás is lényegesen kisebb problémát jelent. A bór tartalmú, melegalakításra készített acélokat 1990 óta alkalmazzák a gépjárművek vázszerkezeteiben. A munkadarabhoz használt alapanyag kb. 450MPa szakítószilárdsággal rendelkezik. Alakítás előtt az anyagot 900 C-nál nagyobb hőmérsékletűre hevítik. Az alakítás során a munkadarab hőmérsékletét minimum 850 C-on kell tartani, hogy az alakítás austenites állapotban történjen, ezután 50 C/s-nál nagyobb hűtési sebességet kell biztosítani a kívánt mechanikai tulajdonságok eléréséhez. A szerszámban történő hűtés hatására az alakított darab teljes szövetszerkezete martenzites lesz, így akár 1500-2000 MPa-nál is nagyobb szilárdságot elérve. A melegalakításra kifejlesztett, és általában alkalmazott, 22MnB5 jelű acél tulajdonságait és felhasználását a későbbiekben részletesebben is elemzem [2]. 2.2.8 Alakítás után hőkezelt acélok (PFHT steels) 2.2.12. ábra Az alakítás után hőkezelt acélok szakítószilárdság teljes nyúlás diagramja [2] A korszerű nagyszilárdságú acélok alakításához nagyobb nyomó erő szükséges, valamint felmerülnek egyéb problémák is, mint a szerszám kopása, a visszarugózás és a hullámosság. A visszarugózás az anyag rugalmas alakváltozó képességére vezethető vissza. A hullámosság többnyire olyan alakításnál jelentkezik, amikor a bélyeg rádiuszán alakváltozik az anyag. Ezen problémák, mérsékelhetők, ha a nagy szilárdságú acélokat lágyított állapotban alakítjuk, majd ezt követően eddzük. Az edzés történhet indukciósan vagy kemencében; az indukciós edzés alkalmas csak lokális területek szilárdság növelésére így kontrollálva a darab torzulását, valamint a gyors hevülés 21
minimalizálja az oxidációt. Ezeket a nagy szilárdságú acélokat alumínium vagy szilícium bevonattal láthatják el a nagy hőmérsékleten történő oxidáció és a dekarbonizáció megakadályozása miatt, a cink alapú bevonatok olvadáspontja jóval az austenitesítési hőmérséklet alatt van így azok alkalmatlanok erre a célra. Az alakítás utáni hőkezelés egy általános módszer a nagyobb szilárdság eléréséhez, a fő problémát e metódus elterjedésével szemben, a darab geometriájának megtartása a hőkezelés közben és után jelenti. A darab rögzítés utáni hevítése és azonnali edzése megoldhatja a problémát. Az egyik eljárás az olcsó acélok vízzel történő edzése, amelyeknél a szakító szilárdság a kémiai összetételtől függően 900 és 1400 MPa között változhat. Emellett bizonyos cink bevonatoknak van esélye túlélni a hőkezelési ciklust, mert a nagy hőmérsékleten töltött idő nagyon rövid. Egy másik eljárás az ötvözött nemesíthető acélok levegőn történő edzése. Ezek az acélok lágy állapotban jó alakíthatósággal, hőkezelés után nagy szilárdsággal rendelkeznek. A darabokat védőgázas kemencében austenitesítési hőmérsékletre hevítik, majd levegőn vagy védőgázban hagyva beedződnek. A jó edzhetőség a karbon és mangán mellett egyéb elemeknek köszönhető ezek a króm, a molibdén, a vanádium, a bór és a titán. Könnyen hegeszthetőek mind lágy, mind edzett állapotában. Az általános bevonatok (galvanizálás) jól alkalmazhatók ezen acélok esetén. A harmadik lehetőség a szerszámban történő edzés. Indirekt melegalakítás során a darabot szobahőmérsékleten közel készre alakítjuk, majd 900 C-os hőmérsékletre hevítés után véglegesre formáljuk és a szerszámban edzve teljesen martenzites szövetszerkezetet állítunk elő, ezt alakítási edzésnek nevezik. Az alakítás utáni hőkezelési eljárás jótékony hatását leginkább a martenzites és összetett-fázisú acélok esetében fejti ki, ugyanis ezen acélok nagy szilárdsága kis alakíthatóságot tesz lehetővé, azonban ezzel az eljárással bonyolult darabok is alakíthatóak belőlük, a végleges szilárdság viszonylag kismértékű változása mellett. Ezzel az eljárással alakított DP acélok esetén a szilárdság kisebb lesz, mint a hagyományosan alakított DP acéloké, azonban a visszamaradó extra alakíthatóság előnyös lehet energia elnyeléskor, vagyis ütközésnél [2][21]. 22
2.2.9 Korszerű nagyszilárdságú acélok A gépjármű ipari szükségletek további képességeket követelnek a korszerű nagyszilárdságú acéloktól, így az acélipari kutató laboratóriumok és egyetemi intézmények további kutatásokat végeznek, hogy újabb acéltípusokat fejlesszenek ki. A korszerű nagyszilárdságú acélok 1. generációjába a DP és a TRIP acélok tartoznak, amelyek már széleskörűen elterjedtek. A 2. generációt a X-AHSS és az U-AHSS acélok (Extra és Ultra, nagyszilárdságú korszerű acélok) alkotják, ide tartoznak például a melegalakításra kifejlesztett nagyszilárdságú acélok illetve a nagy ötvöző tartalmú, austenites acélok pl.: a TWIP acélok, de ezek terjedésének útjában áll a szükséges nagy mangán tartalom mely a költségeket jelentősen megnöveli. 2.2.13. ábra Nagy szilárdságú acélok fajlagos nyúlása a szakítószilárdság függvényében [1] Mivel a 2. generáció széleskörű felhasználása problematikus, szükségszerű olyan acélok létrehozása, amelyek tulajdonságai az előző 2 generáció között helyezkednek el, vagyis nagyobb szilárdsággal és nyúlással rendelkeznek, mint az 1. generáció és olcsóbbak a 2. generációnál. A TRIP és a TWIP acélok összetett szövetszerkezettel rendelkeznek, amely megnövelt szilárdsághoz és keményedési képességhez vezet. A jelenlegi kutatási terület a 3. generációs nagyszilárdságú acélok, amelyek átveszik ezt a szövetszerkezetet, és 23
jelentősebb mennyiségű (több mint a TRIP acélokban) maradó austenitet tartalmaznak, közepes mangán tartalom mellett. A 2.2.14. ábra közepén jól látható a jelenlegi fejlesztéseket jelölő mező, amely a kékkel jelölt hagyományos acélok, a zölddel jelölt korszerű nagyszilárdságú acélok, valamint a narancssárgával jelölt austenit alapú nagyszilárdságú acélok között helyezkedik el. További példái ennek a területnek az ultra finomszemcsés, kis sűrűségű és ultra nagy rugalmassági modulussal rendelkező acélok, valamint a Nanoacélok, amelyeknél a DP és TRIP acélok estében tapasztalt kismértékű lokális nyúlást próbálják kiküszöbölni. Martenzit szigetek helyett a ferrit mátrixot ultra finom nanoszemcsékkel (<10nm) erősítik. Ezt 750 MPa körüli szakító szilárdsággal rendelkező melegen hengerelt, nagy szilárdságú acéloknál alkalmazzák, az eredmény nagy folyáshatár/szakítószilárdság arány mellett kitűnő egyensúly a helyi és a teljes nyúlás között. Ennek a generációnak a célja a szükséges felhasznált acélmennyiség csökkentése - azáltal, hogy adott szilárdság mellé nagyobb alakíthatóság társul-, valamint az előállítási illetve a hegesztési problémákból fakadó költségek csökkentése [2][22][23]. 2.2.14. ábra A hagyományos, korszerű, austenit alapú valamint a jelenleg fejlesztés alatt álló nagyszilárdságú acélok szakítószilárdság-nyúlás diagramja 4 [23] 4 Conventional steels- Hagyományos nagyszilárdságú acélok: Mild- lágyacél; IF- Interstíció mentes acélok; HS IF- nagy szilárdságú interstíció mentes acélok; IS- Izotropikus acélok; CMn- karbon-mangán acélok; BH- Bake Hardenable acélok; AHSS Grades- Korszerű nagyszilárdságú acélok: DP- Duplex fázisú acélok; CP- Komplex fázisú acélok; TRIP- TRIP acélok; MART- Martenzites acélok; Austenitic-Based Steels- Austenit alapú acélok: Ide főként a TWIP acélok tartoznak Current Area of Research- Jelenlegi kutatási terület 24
2.3 A melegalakítás bemutatása Mivel a későbbiekben kifejezetten egy melegalakításra kifejlesztett acél tulajdonságaival és felhasználásával fogok foglalkozni, szükségesnek érzem röviden ismertetni a melegalakítás metallográfiai hátterét valamint a különböző melegalakítás technológiákat. 2.3.1 A melegalakítás metallográfiai háttere Melegalakításról fémtani, metallográfiai értelemben akkor beszélünk, ha az alakított anyag rekrisztalizációs hőmérséklete 5 felett történik az alakítás (Talak > Trek), ennek köszönhetően az alakítás okozta változások a szövetszerkezetben az egyidejű, ún. dinamikus újrakristályosodás miatt megszűnnek, vagyis nem marad jelentős alakítási maradó feszültség az anyagban, így nincs alakítási keményedés sem. Az alakítás során rendkívül csekély idő szükséges a diszlokáció sűrűség növekedéshez, ezáltal az anyag felkeményedéséhez, ez alakítás során szinte azonnal végbe megy. Ezzel szemben az újrakristályosodás hatására bekövetkező változások időszükséglete nagyobb. Ebből következik, hogy az anyagban ébredő valódi feszültség, melegalakítás során az alakváltozási sebesség függvénye, míg hidegalakítás során a valódi feszültség a valódi alakváltozás mértékétől függ. 5 Az újrakristályosodási hőmérséklet a legtöbb fém és ötvözet esetében az olvadáspont 0,4-szerese Kelvin fokban mérve, ez a 0,4 homológ hőmérséklet. A homológ hőmérséklet a következőképpen értelmezendő: T hom=t/t olv. 25
2.3.1. ábra Hideg- és melegalakítás valódi feszültség- valódi nyúlás görbéi [15] Melegalakításkor a nagy hőmérsékleten történő változások az anyagban megfelelnek egy lágyító, vagy egy újrakristályosító hőkezelésnek, az alakítás mértékétől függően. Amennyiben az alakítás mértéke meghaladja a kritikus értéket, ami a maximális folyási feszültséghez tartozó nyúlás kb. 20%-a, akkor a dinamikus újrakristályosodás (2.3.2. ábra b) része) válik dominánssá, ennél kisebb mértékű alakítás mellett csak dinamikus megújulás jelentkezik (2.3.2. ábra a) része). Mind két jelenségre igaz, hogy egy dinamikus egyensúly alakul ki a diszlokációk keletkezése és megszűnése között. Azonban újrakristályosodáskor megfigyelhető, hogy nagy alakváltozási sebesség esetén a folyáshatár maximumának elérése után a meleg-folyáshatár csökken a dinamikus egyensúly beálltáig (2.3.2. ábra b) rész felső görbe), kisebb alakváltozási sebesség mellett a gyorsan ismétlődő újrakristályosodásból adódóan a folyásgörbén hullámok keletkeznek (2.3.2. ábra b) rész alsó görbe). 26
2.3.2. ábra Folyásgörbék melegalakítás esetén [15] a) dinamikus megújulás, b) dinamikus újrakristályosodás Melegalakítást követően a dinamikus újrakristályosodásból kifolyólag a szemcsék részarányosak és rendezetlenek, nem keletkezik alakítási textúra, azonban méretük lehet kisebb, azonos vagy nagyobb, is mint a kiinduló szemcseméret. Tehát melegalakításkor figyelembe kell vennünk az alakítási sebesség optimalizálását, így megfelelő mértékű alakíthatóságot nyerve a dinamikus megújulás és újrakristályosodás által, valamint azt is szem előtt kell tartanunk, hogy a lehető legkisebb hőmérsékleten és kellően nagymértékű alakítással történő megmunkálás által, előnyös, finom szemcseméret érhető el. Ha a melegalakítás során kismértékű alakítás nagy hőmérsékleten zajlik durva szemcseszerkezet alakul ki [15][32]. 2.3.1.1 Ausforming, példa a melegalakítás előnyös kihasználására A diszlokációk mozgását a szemcsehatárok akadályozzák, így jobb szilárdsági tulajdonságokra tehetünk szert, ezt a jelenséget a TWIP acéloknál ismertetett Hall-Petch hatás magyarázza meg. 27
Ennek az optimalizált eljárásnak a tovább gondolt változata az ausforming vagy alacsony hőmérsékletű thermo-mechanikus kezelés, ami jelentős szilárdság növekedéshez vezethet, azonban ennek feltétele az austenit metastabil állapotban való jelenléte, így azok a fémek, melyek a kritikus hőmérséklet alatt gyorsan átalakulnak nem alkalmasak. A hosszabb idejű allotróp átalakulás elérése érdekében az austenit mezőt tágító ötvözők jelenléte szükséges, ezek közül a leghasznosabbak a króm, molibdén, nikkel és a mangán. Azt is figyelembe kell venni, hogy alakítás hatására az austenit átalakulásának sebessége nő. Így megfelelő mennyiségű ötvöző jelenléte szükséges az átalakulás lassításához és az alakítási hőmérsékletre való hűtés közbeni ferrit kialakulásának megakadályozásához. Az austenit szemcsék mérete a lehető legkisebb kell, hogy legyen, így nemcsak az alakítás során keletkező diszlokáció sűrűség nő, de a metastabilis austenitből edzés során keletkező martenzit lemezek mérete is finomodik. Az austenitizálási hőmérsékletről metastabil állapotba való hűtésnek elég gyorsnak kell lennie, hogy megakadályozzuk a ferrit kialakulását, valamint az alakítási hőmérsékletről való hűtésnek elég gyorsan kell végbemennie, hogy bainit se keletkezhessen. Az ausforming-al elért szilárdság az alakítási hőmérséklet csökkenésével nő, az alakítási keményedés miatt. A választott hőmérsékletnek elég kicsinek kell lennie a megújulás és az újrakristályosodás elkerülése érdekében, azonban elég nagynak is kell lennie az alakítás közbeni bainit kialakulásának megelőzéséhez, ugyanis a korai austenit lebomlás a mechanikai tulajdonságok romlásához vezet. Az ausforming során nagymértékben alakított fém diszlokáció sűrűsége is nagy, ez részben az alakítás, részben a martenzites átalakulás során keletkezik. Az alakítást általában az ötvözőkkel képzett karbidok kiválásának hőmérsékleti tartományában végezzük (500-600 C) így diszperz karbid eloszlás is jön létre. A melegalakított austenit edzése során a diszlokációs szubszerkezet legalább egy része, illetve a karbidok finom eloszlása, öröklődik a martenzitre. A martenzit lemezek mérete is lényegesen kisebb, mint a hasonló acélok, austenites hőmérsékletről való közvetlen edzése esetén, ez az alakított austenit szemcsék méretbeli változásának tudható be. A szilárdság növekedés oka több tényező együttes hatása. A leginkább hozzájáruló tényezők: a nagy diszlokáció sűrűség és az ötvözőkkel alkotott karbidok finom eloszlása, ami a diszlokációkkal hozható összefüggésbe. 28
Számba veendő, hogy a finom kiválások diszlokáció sokszorozó központokként működhetnek képlékeny alakváltozás során. A martenzites átalakulás alapvető része a szilárdság növelésnek, mivel jelentős mértékben növeli a diszlokáció sűrűséget, valamint minden alakított austenit szemcsét számos martenzit lemezre választ szét, melyek sokkal kisebbek, mint a hagyományos hőkezelési eljárások során. Az alakított szemcsék egyik dimenziója lényegesen kisebb, mint a másik kettő, így az erre a dimenzióra párhuzamos irányban futó martenzit lemezek sokkal hamarabb szemcsehatárba ütköznek, mint részarányos szemcsék esetén történő martenzit képződéskor így sokkal kisebb lemezek keletkeznek. Az is valószínű, hogy ezek a kis lemezek öröklik a finom diszlokáció szubszerkezetet az alakított metastabil austenittől [33][34]. 2.3.2 A melegalakítás fajtái A melegalakítás a megmunkált darab geometriáját tekintve két fő típusra osztható. Amennyiben az alakított darab felületi kiterjedése nagy a térfogatához képest akkor lemezalakításról, ellenben ha a térfogathoz viszonyított felület kicsi, térfogat alakításról beszélünk. Meleg lemezalakítás során elsősorban a lemez vagy szalag előgyártmány készítésekor történő hengerlésre, valamint ezen előgyártmány feldolgozása során történő sajtolásra gondolunk. A meleg lemezsajtolás egy tovább gondolt formáját a későbbiekben részletesen be fogom mutatni (2.4), ennek az eljárásnak a lényege a darab alakítását követően a szerszámban végzett edzése. A meleg térfogat alakítás során az előgyártmányt többféle eljárással dolgozhatják fel, amelyek statikus (pl.: sajtolás) vagy dinamikus (pl.: kovácsolás) erőhatás által hozzák létre a kívánt geometriát. E technológiák lehetnek például a kovácshengerlés, kovácsolás, sajtolás, folyatás, kisajtolás. Kovácsolás során a felhevített munkadarabot többszöri erőhatás által alakítjuk a szükséges alakra, ez történhet szabadon, illetve süllyesztékben történő kovácsolással. A süllyesztékes eljárás előnye a pontosabb munkadarab, azonban a szerszám és gép (megvezetés) költségek csak összetett alakzat esetén teszik indokolttá használatát. Előnye, hogy jobb üregtöltés érhető el a többszöri erőhatás miatt, ami sajtolásnál nem kivitelezhető. Fontos megjegyezni azt is, hogy kovácsolással előállított alkatrészek mintegy 20%-kal nagyobb terhelést képesek elviselni, a kialakuló kedvező szövetszerkezetnek köszönhetően. 29
Sajtoláskor a darabot egy, a kívánt alak negatívjaként megmunkált szerszámba helyezzük, amely hasonló a süllyesztékes kovácsolásnál alkalmazott szerszámhoz, azonban lényeges különbség, hogy ez nem rendelkezik sorja csatornával. Jellemző továbbá, hogy a szerszámok üregeinek térfogata egyenlőtlenül oszlik el az alsó és a felső szerszám között, ebből következően az osztósík nem középen, hanem a darab felső harmadánál helyezkedik el. Melegfolyatáskor a darabot szintén statikus erőhatás által alakítjuk, (általában sajtóban). Megkülönböztetünk előre- és hátrafolyatást, de történhet egyszerre is a kettő: ez esetben kétirányú folyatásról beszélünk. Folyatás során létrehozhatunk csöveket, üreges vagy csökkentett keresztmetszetű részeket a darabon. Kisajtolás során bonyolult geometriájú zártszelvényeket állíthatunk elő a felhevített darabot egy üreges szerszámon átpréselve. A szerszám több üreges is lehet így egyszerre több darab is előállítató egy nyomás alatt. A térfogatalakítás témakörével szakmai gyakorlatom során a Rába Futómű Kft.-nél ismerkedhettem meg. Úgy gondolom, hogy az ott látott és tanult dolgok, értékesek és hasznosak voltak. A megszerzett ismereteket a következő pár oldalban írom le. 2.3.3 A Rába Járműipari Holding Nyrt. és a Rába Futómű Kft. valamint az itt szerzett tapasztalatok bemutatása A több, mint egy évszázados autóipari tapasztalattal rendelkező Rába Járműipari Holding Nyrt. az iparág egyik legnagyobb magyar vállalata. A vállalatcsoport három stratégiai üzletága haszongépjárművekhez, mezőgazdasági erőgépekhez és földmunkagépekhez kifejlesztett futóműveket, futómű főegységeket és alkatrészeket, haszon- és személygépjárművekhez alkatrészeket, illetve speciális járműveket gyárt. A több mint 1700 főt foglalkoztató Rába Nyrt. székhelye Nyugat- Magyarországon, Győrben található. A Rába árbevételének mintegy 90 százaléka a három stratégiai régióba (USA, EU, FÁK) irányuló exportból származik. A Rába Járműipari Holding tevékenysége három üzletágon keresztül valósul meg, melyek az árbevételhez a következő arányban járulnak hozzá (2015): 30
Rába Futómű Kft. 49% Rába Járműalkatrész Kft. 27% Rába Jármű Kft. 24% A futómű üzletág vertikuma a kapcsolódó szolgáltatások teljes körét felöleli, ily módon a Rába legigényesebb vevői számára is képes teljes körű ipari megoldásokat nyújtani. A futómű termékeket az üzletág elsősorban exportra termeli, hagyományosan legnagyobb felvevő piaca az Egyesült Államok, de magas színvonalú termékeivel Nyugat-Európában, valamint a FÁK térségben is jelentős és egyre növekvő a jelenléte. A járműipari alkatrész üzletág két nyugat-dunántúli üzemet foglal magában. A móri gyár az ülés- és ülésrendszer-gyártás és -sajtolás központja, míg Sárváron a forgácsolás és megmunkálás a fő technológia. Az üzletág elsősorban a Magyarországon és az EU régióban működő nemzetközi autóipari társaságok számára értékesíti termékeit. A jármű üzletág komplett járműveket, járműipari vázszerkezeteket és alvázakat gyárt. Fokozott terepjáró képességű, speciális szállítási és védettségi követelményeket kielégítő katonai felhasználású teherautó-család és önjáró buszalvázak fejlesztési és adaptációs munkálatait, valamint gyártását végzi. Legnagyobb hosszú távú megrendelője a Magyar Honvédség, amelynek a megrendeléseit jelentős nemzetközi partnereket is bevonva teljesíti. Az üzletág stratégiai termékköre kiegészül városi, elővárosi tömegközlekedésre alkalmas közúti járművekkel is. A Rába Járműipari Holding Nyilvánosan Működő Részvénytársaság részvényeit a Budapesti Értéktőzsdén jegyzik [31]. 31
Néhány a Rábánál készült alkatrész: 2.3.3. ábra Sajtolt darabok 2.3.4. ábra Kovácsolt futómű tengelyek 32
A Rábánál töltött idő alatt a szakmához közvetlen és közvetett módon kapcsolódó dolgokba is betekintést nyerhettem. Számomra új, információban gazdag időszak volt, ismereteimet bővíthettem különböző szakirodalmak tanulmányozásával, illetve élőben és működés közben láthattam a térfogatalakítás és a nagyipari darabok forgácsoló gépeit. Elsősorban a kovácsüzem meleg térfogatalakító gépeivel ismerkedhettem meg, végig követhettem a készülő munkadarabok útját és a műveletek sorrendjét. Megtapasztalhattam, melegalakítás esetén, olyan finom ám annál fontosabb részleteket, amivel számolni kell a pontos darab gyártása érdekében, melyek hidegalakításnál nem is kerülnek látókörbe. Ilyen a darab zsugorodása vagy alakítás során a fal síkjának torzulása a behúzódás miatt, illetve a szerszám hőmérsékletének kézben tartása a törés vagy kopás elkerülése érdekében. Nagy fontosságú az alakítás hatására újra hevülő munkadarab hőmérsékletének szinten tartása is az olvadás elkerülése miatt. Láthattam a munkadarabok mágneses repedés vizsgálatát, ezeknek a hibáknak a javítását köszörüléssel, hasonlóképpen a kész munkadarab enyhe kihajlásainak kimérését és egyengetését, valamint a kész darabok revétlenítését elvégző szemcseszóró berendezést is. A kovácsüzemben alkalmazott gépek közül a legnagyobbak a különböző nagyságú Maxima sajtók és a 100 tonnás alsó medvével rendelkező hidraulikus ellenütő kalapács voltak, de ezek mellett láthattam még szabadalakító kovácsolásnál, kisebb, hevederes levegőműködtetésű ellenütős kalapácsot is (130 kj), valamint a melegfolyatáshoz használt sajtót, illetve sorjázó gépeket. A kovácsüzemen kívül végigvezettek a forgácsoló és szerszámkészítő üzemeken is. A forgácsoló üzemben láthattam nagyipari forgácsolásra alkalmas megmunkáló központokat, teljesen automatizált gyártást, illetve a mérőszobába is bepillantást nyertem. Hasonlóképpen a szerszám üzemben láthattam a szerszámok, főként a kovácsüzem szerszámjainak készítését végző forgácsoló gépeket, illetve e szerszámok javításához szükséges feltöltő hegesztőgépet is, valamint itt is megnézhettem a mérőszobát. A Rába üzemein kívül egy rövid látogatást tehettem a szomszédos Busch- Hungária Kft. öntödéjébe, ahol szintén végig vezettek az öntött alkatrészek gyártási folyamatán. Itt bemutatták a különböző (fém vagy homok) formaszekrényeket, a magkészítést, és a sorozatgyártásban folytatott öntést, magától értetődő, de mégis érdekes, hogy az öntödében nincs haszontalan selejt, 33
hiszen azt újra olvasztják és öntik, így az üzem rendkívül gazdaságosan működik. A gyárlátogatások során a mérnöki munkavégzést közvetetten befolyásoló tényezők is megmutatták magukat. Ilyen tényezők a gazdasági és mérnöki szempontok viszonylagos összeférhetetlensége. Megtudhattam, hogy a műszaki irány megfelelő képviselete, vagy annak hiánya, a vezetői döntések során jelentős hatással van a későbbi munkavégzés hatékonyságára, valamint szembetűnő volt, hogy a mérnökök képzeletének szinte kizárólag a gazdasági megfontolások szabnak határt. A különböző osztályok közötti kommunikáció is nagy jelentőséggel bír a gyártás zökkenőmentesítésében, mint ahogy annak hiánya fennakadásokhoz, feleslegesen elvégzett munkához, esetleg selejthez vezethet. Az irodában végzett mérnöki munkába is betekintést nyertem, valamint ismerkedés szintjén részt is vettem benne. Számomra teljesen új ismereteket hozott a ProEngineer 3 dimenziós mérnöki modellező program használata, mely során pár alap funkció alkalmazását sajátítottam el. Készítettem egy kovács és egy sajtoló darab modellt. 2.3.5. ábra Közlőkerék kovácsdarab modellje ProEngineerben sorjával és anélkül 34
2.3.6. ábra Napkerék sajtolódarab modellje Pro Engineerben sorjával és anélkül Ezeket a modelleket felhasználva szerszámmodelleket készítettem, amiket később, a Simufact Végeselemes szimulációs programban felhasználva, vizsgálhattam a készülő munkadarabok alakulásának folyamatát. Ez egy több lépcsős folyamat, ugyanis a gyártás minden szakaszát szimulálni kell a megfelelő eredmények kinyeréséhez, így először a darab zömítését kellett elvégezni, hogy az abból kapott előalakított darabot virtuálisan a sajtóba vagy kovács gépbe helyezve, a szimulációt ennek megfelelően lefuttathassam. 2.3.7. ábra Zömítés kiinduló és végállapot Simufactban 35
2.3.8. ábra Sajtolás kiinduló és végállapot Simufactban 2.3.9. ábra Kalapács kiinduló és végállapot Simufactban A szimulációkból levonható következtetés az üregek kitöltődésének megfelelősége, a sorja mérete, szükséges ütések száma kalapács esetén valamint különböző beállításokat használva kinyerhető több féle adat, pl.: a szerszám kopásának mértéke egyes területeken, a feszültség eloszlás a darabban és a szerszámban, a hőeloszlás a darabban, stb., ezeket alkalmazva egy-egy technológiai megoldás gyakorlati megvalósítás nélkül jó közelítéssel elemezhető. 36
2.4 Az autó iparban alkalmazott melegalakítás, a lemez melegsajtolás ismertetése Az autóiparban a melegalakításhoz alkalmazott technológiát, melegsajtolás néven ismerhetjük. Ezt a technológiát egy svéd cég a Plannja fejlesztette ki, szabadalmaztatta és alkalmazta először fűrész pengék és fűnyírók gyártásához. A járműipari célok, vagyis a tömeg csökkentése és a biztonság növelése, megkívánta az ultra nagy szilárdságú acélok felhasználását a járművek vázszerkezeteiben. Ez a technológia így került a járműipari alkalmazások körébe és vált egyre népszerűbbé, 1987-ben csupán 3 millió darab került gyártásra ezzel az eljárással, ami 2007-re már 107 millió darab/év-re duzzadt. Jelenleg a melegsajtolásnak két típusát alkalmazzák, amelyek a direkt - és az indirekt melegalakítás nevet viselik. - Direkt alakítás során az előgyártmányt kemencében felhevítik, ezután áthelyezik a sajtóra, ezt követően az alakítás austenites állapotban megy végbe, amit az edzés követ az összezárt szerszámon belül. (2.4.1. ábra Direkt és indirekt melegalakítás 2.4.1. ábra (a) rész) - Indirekt alakításnál egy hidegalakítással közel készre formált darabot hevítenek austenites hőmérsékletre, ezt áthelyezve a sajtóra már csupán finom alakítás és szerszámon belüli edzés történik.(2.4.1. ábra (b) rész) [2][3]. 2.4.1. ábra Direkt és indirekt melegalakítás [3] 37
2.4.2. ábra Melegsajtolással készített gépkocsi szerkezeti elemek [3] 2.4.1 Hevítés A melegsajtoló eljárás az előgyártmány hevítésével kezdődik, ennek hőmérséklete és időtartama függ a kívánt végső szövetszerkezettől. A darabot hevíthetjük, amíg homogén austenites szerkezetű lesz, de a hőmérséklet és a hőntartási idő kézbentartásával lehetséges austenit és ferrit egyidejű jelenléte is. Ezt interkritikus hőmérsékletnek nevezzük és az A1 és A3 vonalak közötti hőmérséklet tartományt jelöli. Ezek az állapotok, valamint a hűtés sebessége és időtartama, természetesen az acélban jelenlévő ötvöző tartalom mellett együttesen határozzák meg, hogy edzés után milyen szövetszerkezettel rendelkezik majd az acél, így annak mechanikai tulajdonságait befolyásolva. Amennyiben teljesen martenzites szerkezetű darabot szeretnénk előállítani az alakítandó darabnak homogén austenites szerkezetűnek kell lennie, ez adott hőmérsékleten, a falvastagság növekedésével hosszabb hőntartási időt követel meg. A homogén austenitesítési állapothoz szükséges feltételeket a Lechler és Merklein által 2008-ban végzett vizsgálatok alapján a 2.4.3. ábra mutatja be. A vizsgálat során 22MnB5-ös acélt alkalmaztak, a fázis átalakulások kiértékelésére, az edzett darabokon Vickers HV10 keménységmérést hajtottak végre. Az 2.4.3. ábra mutatja a 470HV keménység eléréséhez szükséges austenitesítési időt, különböző hőmérsékleteken és lemezvastagságok esetén. 38
2.4.3. ábra Austenitesítési idők, hőmérséklet és falvastagság függvényében [3] A Lechler által 2009-ben végzett kutatások rávilágítottak arra, hogy a hevítés módja jelentős befolyással bír a darab tulajdonságaira, a hevítés időtartamára és a melegsajtolás költséghatékonyságára [3][35]. 2.4.1.1 Görgős kemence (roller hearth furnace) A már kiépített megmunkáló vonalakon az előgyártmányt általában görgősvagy léptető kemencékben hevítik, e kemencék mérete és tömege az átmenő teljesítménytől és a hevítendő anyagtól függ. Mivel a kemence teljes hossza akár 30-40 méter is lehet, a nagy helyszükséglet és a növekvő költségek alternatív megközelítéseket kívánnak. A melegsajtolt darabok gyártáshoz szükséges ciklus időt főképp a kemencében eltöltött austenitesítési idő, bevonat esetén a felületi ötvözéshez szükséges idő, valamint a sajtoló szerszám zárva tartási ideje határozza meg. A szerszám zárásával kapcsolatos időtartam csökkenthető az optimális szerszám hűtés és szerszám anyag megválasztásával. A kemencében eltöltött idő csökkentése csak a következőkben leírt, gyorsabb hevítést eredményező alkalmazásokkal lehetséges [3]. 2.4.1.2 Ellenállás hevítés vagy elektromos vezetés általi hevítés (resistance heating, conduction heating) Ezen alternatív hevítő eljárás során a darabot két elektród pár közé szorítják, az átáramoltatott elektromosság az anyag ellenállása miatt felhevíti a darabot. A fémes anyagok vezetés általi hevítése a Joule törvény alapján történik, 39
miszerint az áramkörben keletkező hő arányos az áramkörben lévő áram erősségével, illetve a vezetők ellenállása miatti áramveszteség a vezetők felhevülését okozza. A Joule törvény: W = UQ = I 2 R t = U I t (2.2) Ahol U a feszültség, Q az átáramló töltés, W a vezetőben fejlődő hő (Joule-hő), I az átfolyó áram erőssége, R = a vezető ellenállása, t = az áramáthaladás ideje Gyenge felületminőség és a munkadarabon lévő szigetelő hatású szennyező rétegek növelik az ellenállást, így a hő termelődését az érintkező területen. Az érintkező elemek alakja és a kontakt nyomás szabályozása kritikus jelentőségű a darab homogén hevítésére nézve. Az ellenállás hevítés alkalmazása mellett szóló fontos tényező a hatékonyság, ez a paraméter közvetlen összefüggésben áll a darab ellenállásával. A rövid alkatrészekkel összevetve, a hosszú elemek nagyobb ellenállással rendelkeznek, emiatt az ellenállás hevítés leginkább, megfelelő hossz/átmérő arányú elemeknél alkalmazható, mint például: csövek, rudak, huzalok, szalagok. Hátránya ennek a rendszernek az alkatrész hossza mentén való inhomogén hőmérséklet eloszlás. Ipari alkalmazhatóság szempontjából egy másik probléma a komplex geometriájú testek homogén hevítésével kapcsolatos nehézségek. Mivel az ellenállás hevítés sebessége kellően nagy, ezért összehangolható az alakítással, nagyobb energiahatékonyságot és kompaktabb felszerelést eredményezve, mint indukciós hevítés során. Idő és energia takarítható meg egy olyan szerszámmal melynél a lemezt a befogás során hevítik, majd mozgatás nélkül azonnal elvégzik az alakítást. A hevítés során a lemez nem ér sem a medvéhez sem a bélyeghez, ezzel elkerülve a hőmérséklet csökkenést. Mivel az ellenállás hevítés nagyon gyors a T hőmérséklet növekedése a következő adiabatikus közelítéssel számítható. T = R ( I 2 wt ) ( τ cρ ) (2.3) Ahol R az elektromos ellenállás, I az áramerősség, w a lemez szélessége, t a lemez vastagsága, τ az elektromos vezetés időtartama, c a fajhő és ρ a sűrűség. A munkadarab igen rövid idő, pár másodperc alatt eléri az austenitesítési hőmérsékletet, ez a technológia alkalmas az ultra nagyszilárdságú acélok melegalakítására. Amennyiben a lemez és az elektródok érintkezése nem homogén a hőmérséklet eloszlás egyenetlenné válik, nagyméretű lemezeknél 40
oda kell figyelni az elhelyezkedésükre. Kemencés hevítés során az alakítás megkezdéséig akár 5 másodperc is eltelhet, ellenállás hevítés során ez az idő csupán 0,2 másodperc, ezáltal az áthelyezés során elvesző hőenergia mértéke valamint a gyártási idő is csökkenthető [3][25]. 2.4.4. ábra Ellenállás hevítővel ellátott melegsajtoló szerszám működése [25] 2.4.1.3 Indukciós hevítés Elvileg minden elektromosan vezető vagy félvezető anyag hevíthető indukciósan, így e technológia használhatósága meglehetősen széleskörű, alkalmazható fémek olvasztásához, térfogat alakításhoz és hőkezeléshez valamint alkalmazzák a szerelő és csomagoló iparban is. Az induktorok geometriája határozza meg a mágneses tér elhelyezkedését a munkadarabhoz képest, ami különböző hatékonyságot okoz. A távolság a lemez és az induktor között szintén befolyással bír a hatékonyságra. Azonban az induktor és a lemez között elektromos szigetelésnek mindenképpen lennie kell. Alakos darabok 41
általában deformálódnak hevítés során. Az induktoroktól való kis távolság a munkadarab beszorulását okozhatja, ami a rendszer sérüléséhez vezethet. Az indukciós eljárás energia hatékonysága akár a kétszerese is lehet a görgős kemencékének, a görgőkön és a kemencéből kiáramló gázokon keletkező veszteségek miatt [3]. 2.4.5. ábra Hevítés fajták [3] 2.4.2 Alakítás A darabot a kemencéből az alakító szerszámra kell helyezni amilyen gyorsan csak, lehet, hogy az alakítás előtti lehűlést elkerüljük, továbbá az alakításnak végbe kell mennie mielőtt a martenzites átalakulás elkezdődne. Tehát a sikeres folyamat kulcsa a gyors szerszámzárás és alakító eljárás. Alakítás után a darab a zárt szerszámon belül edződik, a szerszám hűtéséről vezetékekben áramoltatott vízzel gondoskodnak. A darab a medve és a leszorító elem közötti beedződését megelőzendően a legtöbb melegsajtoló szerszámnál távtartós leszorítót alkalmaznak. 42
2.4.6. ábra Melegsajtoló szerszám és a hűtővezetékezés [3] Egy másik eljárás típus a munkaközeg általi melegalakítás. Az alakítási folyamat a darab elhelyezésével kezdődik, a szerszám összezárása után indul az alakítás a dolgozó közeg által. A forró gáz általi alakítás előnye a hagyományos melegsajtoló eljárással szemben a darab szabad formálódása, valamint az alakítás során a szerszám és a darab érintkezési idejének rövidebb volta miatt, a homogén hőmérséklet eloszlás, ami a darab egyenletes formálódásához vezet. Egy másik érdekes területe lehet a gáz alakításnak a termikusan szigetelő és/vagy összenyomhatatlan dolgozó közeg használata. A lemez melegalakítás hatékonyságának növelése érdekében elkerülhetetlenül felmerül a folyamathoz szükséges idő rövidítésének kérdése. A hűtés gyorsítható, növelt hővezető képességű szerszám anyag és/vagy hatékonyabb hűtőrendszer alkalmazásával. B. Casas és társai által kidolgozott szerszámként használható acélok alkalmazásával, 66 W/mK hővezetéssel a tartó idő 10-ről 2 másodpercre csökkenthető. Az edzési művelet nemcsak a folyamat gazdaságosságát határozza meg, hanem a kész darab tulajdonságait is. A darab hatékony hűtését a hűtővezetékek segítik elő, amelyek legalább 27K/s hűtési sebességet kell, biztosítsanak a martenzit átalakulása közben. A munkadarab kontúrjai körül elhelyezett hűtőrendszer akkor működik gazdaságosan, ha abban hűtőfolyadék áramlik, 43
ami lehet víz is. Az alakított darab hő árama függ a darab szerszámnak való hőátadásától, a szerszám hővezetésétől, és a hűtőfolyadékba való hőátadás mértékétől. Optimális hőátadás érdekében a munkadarab és a szerszám között nem lehet rés vagy reve. A szerszám hővezetése befolyásolható a szerszám anyagának helyes megválasztásával. Egy másik fontos tényező hőelvonásnál a hűtővezetékek alakja, mérete és elhelyezkedése. A hőelvonás fokozható kis hőmérsékletű hűtőfolyadék alkalmazásával, ami nagyobb hőmérséklet különbséget okoz így növelve a hő áramot. Az alakító szerszámba hűtő lyukakat fúrhatnak, de figyelembe kell venni a furatok elhelyezésénél a szerszám hozzáférhetőségét munka közben, így optimális hűtőrendszer nem mindig kivitelezhető. Egy másik eljárás a szerszám öntésekor, hűtő csővezetékezés létrehozása, nagy előnye ennek a metódusnak a korlátozás nélkül kialakítható hűtőrendszer. Másik alternatívát jelent a lézerrel vágott szerszám fejek, amelyek az alakító felületben kialakított hűtőrendszert tartalmaznak és csavarozással rögzítik őket a szerszámra. Ez az eljárás nagyon költséghatékony, azonban a lamelláris kivitel negatív hatással lehet a darab felszínére és a szerszámon belüli hőátadásra. A nagy hőmérsékletnek kitett alakító szerszámok súrlódás okozta kopása mérsékelhető megfelelő felületkezeléssel vagy bevonat használatával [3]. 2.4.3 Edzés A felhevített darabot az austenites, vagy interkritikus hőmérsékleten történt alakítás után a zárt szerszámban hűtik, amíg a darab elnyeri a kívánt szövetszerkezetet. A (2.4.1) fejezetben leírt hevítettségi állapotoktól függően a végső szövetszerkezet változhat. A hevítettségi állapoton kívül a hűtés sebessége és időtartama határozza meg adott összetételű acél végső tulajdonságait. Homogén austenites mezőből, kritikus vagy nagyobb hűtési sebességgel hűtve, a martenzit finish hőmérséklet alá a darabot, teljesen martenzites szövetszerkezet hozható létre. Azonban ha nem érjük el a martenzit finish-t nem megy teljesen végbe a martenzites átalakulás, így a maradó austenitből bizonyos idő elteltével bainit keletkezik. Lehetséges teljesen bainites szerkezet létrehozása is izotermikus hűtéssel. A hűtés történhet továbbá interkritikus hőmérsékletről is, ekkor az austenit és ferrit együttesen van jelen a szövetszerkezetben, így hűtés után heterogén szövetet kapunk, amely többféleképpen épülhet fel, tartalmazhat ferritet és martenzitet, lehet ferrit és 44
bainit valamint lehetséges ferrit, bainit és martenzit együttes jelenléte a kialakult szövetben. A 22MnB5 acél teljes martenzites átalakulásához 27 K/s vagy nagyobb hűtési sebesség szükséges. A fázis átalakulás, lapközepes köbös térrácsú austenitből tetragonálissá torzult térrácsú martenzitté, térfogat növekedést okoz, ami hatással van a feszültség eloszlásra edzés közben. A létrejövő anyag tulajdonságokra, a különböző fázisok térfogat hányadára, a maradó feszültségekre valamint a munkadarab hűtés utáni vetemedésére csak az átalakulási viselkedés teljes leírása mellett lehet következtetni. A termoplasztikus viselkedés modellezéséhez az alakváltozás-növekmény leírható az elasztikus plasztikus, termikus és izotropikus átalakulással valamint az átalakulás indukálta képlékeny nyúlással. Az austenit és a létrejövő szövetszerkezetek (ferrit, perlit, bainit és martenzit) különböző rácsszerkezeteiből kifolyólag, térfogat változás történik a fázis átalakulás során, ami leírható az izotropikus átalakulási alakváltozással. Ez a hatás csak térfogatbeli változást okoz, mint a termikus alakváltozási-növekmény. Emellett a létrejövő szövetek morfológiája merőben eltérő, így tulajdonságaik is különbözőek. Amennyiben a fázis átalakulás igénybevétel alkalmazása nélkül történik, az anyagban végbemenő változás tisztán térfogati, ami a kiinduló és a létrejövő szemcsék tömöttsége közötti különbségből adódik. Azonban ha az átalakulás külső terhelés alatt történik, az átalakulás indukálta képlékenység irreverzibilis deformációt okoz [3][35]. 2.4.4 Végső tulajdonságok Az edzés során bekövetkező martenzites átalakulás a szakítószilárdságot akár 1500MPa-ra is növelheti, melyet különböző mérési vizsgálatok erősítenek meg (Naderi 2007 szakítószilárdság és Akerstrom, 2006 keménység). A nem tisztán martenzites szövetszerkezetű anyag a nagy szilárdság mellett rendelkezhet bizonyos alakváltozási képességgel is. A hűtési sebesség és a fázis átalakulás hatására létrejövő mechanikai tulajdonságok függenek a folyamat irányításától. A mechanikai tulajdonságok függenek a darab termikus és alakváltozási történetétől. A 22MnB5 folyási görbéi megmutatják a különböző hőmérsékletek és nyúlások erős befolyását az anyag folyási viselkedésére. Habár a hőmérséklet és a nyúlás mértéke a folyamat során időben változó lehet a darab felszínén, a Yanagimoto és Oyamada (2007) illetve Kusumi és társai által végzett vizsgálatok, igazolják, hogy a melegsajtolt darabok nagy 45
méretpontosságot és minimális visszarugózást mutatnak. A melegalakítás során végbemenő termo-mechanikus jelenség hátterének leírásához a maradó feszültség vizsgálata szükséges. További vizsgálatoknál a termo-mechanikus és mikroszerkezeti folyamatoknak köszönhetően a feszültség hányad, domináns folyamat paraméter lehet, a darab tulajdonságaira nézve. Ez az ismeret kulcsfontosságú a szabályozott (tailored) tulajdonságú melegsajtolással előállított darabok vetemedés mentes gyártásához [3]. 2.4.4.1 Szabályozott (tailored) tulajdonságú melegsajtolt alkatrészek A melegalakítás során létrejövő teljesen martenzites szerkezet a nagy, 1500MPa-os szakító szilárdságot, kicsi, csupán 5%-os nyúlás mellett képes biztosítani. Azonban ütközés esetén jobban teljesítő gépjármű szerkezeti elem (mint a B-oszlop) készíthető, nagyobb nyúlásra képes, jobb energia elnyelő tulajdonságú régiók bevezetésével. A B-oszlopok (2.4.7. ábra) kitűnő behatolás elleni védelmet nyújtanak a felső szekcióban és nagy energia elnyelő képességet az alsó szekcióban. Egyetlen darabból készülő szabályozott (tailored) tulajdonságú darab készítése különböző folyamat irányítási stratégiákkal és szabott-hegesztett (tailor welded) elő-gyártmányok alkalmazásával kivitelezhető. Alternatív megoldás lehet, meghatározott területeken a termikus folyamat során csökkenteni a hűtési sebességet 27K/s alá, ezzel elkerülve a teljesen martenzites szövetszerkezet kialakulását, vagy a lágyító hőmérséklet csökkentése az anyag szerinti Ac3 hőmérséklet alá, ezáltal nem tökéletes austenitizációt végrehajtva. Mindegyik eljárás csökkentett szilárdságot, de nagyobb képlékenységet eredményez. A darab többi területén az edzés az ismert módon megy végbe [3]. 2.4.7. ábra Szabályozott tulajdonságú B-oszlopok [3] 46
2.5 A melegalakításra kifejlesztett bórral ötvözött mangán acélok, azon belül a 22MnB5 jelű acél metallográfiai tulajdonságainak, és felhasználásának bemutatása A már említett autóipari célok minél magasabb szintű teljesítéséhez, azaz a tömeg csökkentése és biztonság növelése érdekében a járművázak anyagaként Korszerű Nagyszilárdságú acélokat és Ultra Nagyszilárdságú acélokat alkalmaznak. Azonban az alakíthatóság, a szilárdság növekedésével, jelentősen csökken, ami alakításkor problémákat okoz, pl.: törés, ráncosodás, visszarugózás és egyéb hibák jelentkezhetnek hidegalakítás során. Az Ultra Nagyszilárdságú acélok alakíthatóságának javítása érdekében fejlesztették ki a melegsajtoló eljárást. Ehhez az alakító technológiához felhasznált acélok közé tartozik a 22MnB5 bór-mangán ultra nagyszilárdságú acél. Ezt az acéltípust kifejezetten gépjárműipari alkalmazásra tervezték, melegsajtoló eljárással való feldolgozáshoz. Az ultra nagy szilárdságú acélokon M. Naderi által végzett vizsgálatok szerint, vízhűtéses szerszám alkalmazása estén, melegsajtolást követően, teljesen martenzites mikroszerkezettel megfelelően megválasztott hevítési hőntartási alakítási és hűtési ciklus esetén csak a következő bór ötvözetek rendelkeznek: 22MnB5, 27MnCrB5, 37MnB4. Ezek közül a leggyakrabban alkalmazott a 22MnB5 [3][27]. 2.5.1 Kémiai összetétel, ötvözők hatásai A mangán-bór acélok olyan hőkezelhető, kémiailag melegalakításra specializált acélok, amelyek ezzel a technológiával alakítva, az alakítás során jó alakíthatóságot, alakítás és hűtés után pedig nagy szilárdságot biztosítanak. A festés, felületre égetése során további szilárdság növekedés következik be a Bake Hardening hatás következtében. Az acél összetétele a gyártótól függ, de általánosságban a következő értékek jellemzők rá (1. táblázat). 47
1. táblázat C Si Mn P S Al N Cr B min 0,19 % - max 0,25 % max 0,40 % min 1,10 % - max 1,40 % max 0,025 % max 0,015 % max 0,08 % max 0,01 % max 0,30 % max 0,0050 % A 22MnB5 acél főbb ötvözőelemei a karbon a mangán és a bór. A karbon az acél edzhetőségéért, és az edzett acél keménységéért felelős, hiszen az edzés után keletkező martenzit keménysége a karbon atomok okozta rácsfeszültség mértékétől függ. A mangán elősegíti az edzhetőséget az austenites mező tágításával és javítja az alakíthatóságot az Ms hőmérséklet csökkentésével. A darab hőmérséklet csökkenése, amennyiben az a kemencéből a szerszámba rövid időn belül áthelyezésre kerül, csekély hatással van az edzhetőségre, mert a darab továbbra is austenites szerkezetű marad a mangán által megnövelt austenites hőmérséklet tartománynak köszönhetően. A bór javítja az átedzhetőséget, késlelteti az alakított austenit egyensúlyi átkristályosodását, ezzel időt hagyva a darab teljes keresztmetszetének edzésére [27][28]. 2.5.2 Mechanikai tulajdonságok Az előgyártmány rendszerint finomszemcsés ferrit-perlites szövetszerkezettel és 400MPa közeli folyáshatárral illetve 600MPa körüli szakító szilárdsággal rendelkezik. A hevítés után bekövetkező alakítás során az austenites szövetnek köszönhetően a darab szilárdsága lecsökken, alakíthatósága megnő. Az alakításhoz szükséges erő a hidegalakításnál alkalmazottnak a töredékére csökken, illetve a darabok alakpontossága is jelentősen javul, továbbá a szerszámban tartott darab visszarugózása jelentéktelen mértékűvé csökken. Melegsajtolás után a végső szövetszerkezet az alkalmazott technológiai változattól függően martenzites, vagy részben bainit-martenzites, és 1500MPa körüli szakítószilárdságú. Ilyen mértékű szilárdság eléréséhez az előgyártmányt 48
austenitesíteni kell 950 C-on legalább 5 percig, ezt követően a darabot alakítják és ezzel párhuzamosan edzik a zárt, vízzel hűtött szerszámban 5-10 másodpercig. Amennyiben a hűtési sebesség 400 C hőmérséklet körül meghaladja a kritikus hűtési sebességet, amely a 22MnB5 acélra 27K/s, diffúziómentes martenzites átalakulás következik be, ami nagyfokú szilárdságot eredményez. A martenzites átalakulás 425 C-nál (martenzit start) megkezdődik és 280 C-nál (martenzit finish) fejeződik be. Az acél mechanikai tulajdonságai az ötvözőkön kívül függenek még az edzés után keletkező szövetelemektől és a keletkezett martenzit karbon tartalmától, tehát az edzés utáni szilárdság irányítható a megfelelő mennyiségű karbon, egyéb ötvözők és a hőkezelés paramétereinek helyes megválasztásával. Olyan ötvöző elemek, mint a mangán és a króm, kis hatással vannak az edzés utáni szilárdságra, azonban a fázis mezőkre gyakorolt hatásuk miatt szükségesek. A kívánt átalakulás és szilárdságnövekedés ezen ötvözőknek köszönhetően, megvalósítható hűtési sebesség mellett hozható létre [3][26][27][28]. A hevítési hőmérséklet és a hőntartási idő jelentősen befolyásolja az acél edzés utáni szövetszerkezetét, ezáltal a szilárdsági tulajdonságokat. Az 5 percig különböző hevítési hőmérsékleteken hőntartott anyag szövetszerkezeteit mutatja a 2.5.1. ábra. A vizsgálatok során a felhasznált 22MnB5 acél kémiai összetétele a következő volt: C:0,23; Si:0,25; Mn:1,35; S:0,006; P:0,015; Cr:0,19; Ni:0,028; Mo:0,04; B:0,003; Al:0,04; Ti: 0,03. Az értékek tömeg százalékban értendőek. 2.5.1. ábra A 22MnB5 acél szöveti képei különböző hevítési hőmérsékleten 5perc hőntartást követő edzés után [27] 49
A 760 és 790 C-ra hevített darabok esetén a mikroszerkezet lényegében hasonló a hidegen hengerelt szerkezethez, 75% ferritet és 25% perlitet tartalmaz, utóbbit begömbösödött formában. Amikor a hőmérséklet átlépi az fázisátalakulás határát (megközelítőleg 810 C) a ferrit és perlit szemcsék, austenit szemcsékké alakulnak. További hőntartás vagy hőmérséklet növelés hatására egyre több austenit szemcse keletkezik és kevesebb ferrit szemcse marad. 820 és 850 C-os hevítés esetén a szövetet ferrit és austenit alkotja, a perlit a hőntartás során austenitté alakul. Amennyiben az austenitizálási hőmérséklet elég nagy és a hőntartás elég hosszú a ferrit és a perlit teljes mértékben austenitté alakul, így edzés után a mikroszerkezetet 100%-ban martenzit alkotja. 880 C-os hevítést követő edzés során lemezes martenzit keletkezik, ha ezt a hőmérsékletet túllépik a lemezek egyre vastagodnak az austenitesítési hőmérséklet növekedésével [3][27]. 2.5.2.1 A hevítés hatása az edzett 22MnB5 acél keménységére Amennyiben a hőntartási idő adott, a keménység az austenitesítési hőmérséklettel együtt nő, a keletkező martenzit mennyisége miatt. Azonban ha a hőmérséklet túllép, egy bizonyos értéken a keménység csökken, az austenit szemcsék durvulása és ebből következően a martenzit lemezek vastagodása miatt. A legnagyobb keménységet 51,17 HRC-t 880 C-on 5 perc hőntartás mellett érték el. Tehát a nagyobb keménység eléréséhez az austenitesítési hőmérsékletnek 880-910 C kell lennie a hőntartási időnek pedig 5 percen belül kell maradnia (2.5.2. ábra) [27]. 50
2.5.2. ábra Különböző hőmérsékleteken és hőntartási idők mellett mért keménységek [27] 2.5.2.2 A hevítés hatása az edzett 22MnB5 acél szakítószilárdságára A keménységhez hasonlóan a szakítószilárdság is nő, ha növeljük az austenitesítési hőmérsékletet, adott hőntartási idő mellett, valamint bizonyos hőmérséklet túllépése esetén a vastagodó martenzit lemezek a szakítószilárdságot is csökkentik. A legnagyobb szakítószilárdságot, 1656,44 MPa-t, 850 C-on 15 perc hőntartás mellett mérték. Nagyobb értékű szakítószilárdság elérését tehát a 820-940 C hőmérsékleti tartományon belül történő, legfeljebb 15 perc időtartamú hevítés teszi lehetővé (2.5.3. ábra) [27]. 51
2.5.3. ábra Különböző hőmérsékleteken és hőntartási időknél mért szakító szilárdságok [27] 2.5.2.3 A hevítés hatása a feszültség-nyúlás görbékre Az austenitesítési hőmérséklet befolyásolja a feszültség-nyúlás görbéket is, ha a darabot 5 percig hevítjük 760-820 C hőmérséklet tartományon belül, növekvő hőmérséklet hatására, a szakítószilárdsághoz tartozó valódi feszültség nő, de a szakadási nyúlás csökken. A 790-820 C-os tartományban hevített darabon szemmel látható kontrakció nem jelenik meg a nyúlás során, ennek oka, hogy ez a hőmérsékleti tartomány tökéletlen edzést eredményez, a mikroszerkezetet ilyenkor ferrit, perlit és kis mennyiségű finom lemezes martenzit alkotja. A 22MnB5 karbidképző elemeket tartalmaz, mint króm, molibdilén, bór, mangán, stb. A karbidképzők és a kis hőmérsékletű hevítés lassítja a cementit bomlását így az lemezes cementitként kiválik az edzett szövetszerkezetben a szemcsehatárokra, ezáltal csökkentve a szívósságot. A 820 C-t meghaladó hevítés során a szakítószilárdság és a szakadási nyúlás is megnő a cementit mennyiség austenitizálása általi csökkenése miatt. A szakítószilárdság 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 szakítószilárdság 52
és a szakadási nyúlás is. 910 C-on maximum 5 perc hőntartás mellett a szakítószilárdság és a szakadási nyúlás nő, de 5 percnél hosszabb ideig hevítve csökkenésnek indulnak ezek az értékek [27]. 2.5.4. ábra Valódi feszültség Valódi nyúlás görbék 5 perces hőntartás, esetén [27] A fent leírtakból következik, hogy a legjobb paraméterek a 22MnB5 melegsajtolásához a 910 C-on 5 percig való hőntartás, ezeket a paramétereket felhasználó autó alkatrészek, az anyagból kihozható legjobb értékekkel rendelkeznek szakítószilárdság, keménység és szakadási nyúlás terén. Tehát az így készült alkatrészekből gyártott járműalkatrészek rendelkeznek a legnagyobb biztonsággal és energia elnyelő képességgel [27]. 53
2.5.5. ábra Valódi feszültség- valódi nyúlás görbék 910 C hőmérséklet esetén [27] 2.5.3 Bevonatolás Austenitesítés során, ha a munkadarab levegővel érintkezik, az oxidréteg képződés azonnal megindul, ami előnytelen mind az alakítás mind a későbbi lehűtés során. Az oxidáció és dekarbonizáció megelőzése érdekében a lemezeket többnyire egy védő bevonattal látják el, ami általában alumíniumszilícium réteg, amelynek kémiai összetétele 10% szilícium, 3% vas és 87% alumínium. Hevítéskor a termikus aktiválódás során, a bevonat és az alapanyag közötti felület diffúziója megindul. Az alumínium-szilícium bevonat olvadáspontja 600 C, azonban az alapanyaggal ötvözetet képezve, a rétegek érintkezési felületén, alumínium-vas ötvözet keletkezik, amelynek olvadáspontja nagyobb, ez gyorsan a felszínre kezd vándorolni és meggátolja a bevonó réteg olvadását. A melegsajtolásra jellemző, 950 C-os hőfokon egy közbenső réteg szerkezet alakul ki váltakozó alumínium-vas összetételű rétegekből. Direkt alakításkor ez a réteg akadályozza meg a revésedést. Mivel az alumínium-szilícium réteg alakítási határa kisebb az alapanyagéhoz képest szobahőmérsékleten, ezért ezek a lemezek alkalmatlanok az Indirekt eljárás során illetve hidegalakításhoz való alkalmazásra. Ez a bevonat nem nyújt katódos védelmet, mint a cink bevonatok, de jó záró védelmet biztosít. A 54
hidegen alakított alkatrészekhez hasonlóan, a melegsajtolt elemek katódos védelme is kívánatos lehet, ezeket a kívánalmakat cinkes bevonat elégítheti ki. Hevítés és melegsajtolás során a cink réteg reagálhat az alapanyaggal és intermetallikus cink-vas fázisok képződhetnek. A bevonó rétegben lévő mikrorepedések terjedésének minimalizálása érdekében a galvanizált 22MnB5 csak indirekt melegsajtoláshoz használható. Alakítás után az oxidréteget el kell távolítani szemcseszórással, hogy a festék tapadóképessége megfelelő legyen. Egy másik bevonat a 22MnB5 számára a direkt és indirekt eljáráshoz is alkalmazott, aktív korrózió védelmet biztosító x-tec amelyet külső mázként visznek fel a felületre előfestő eljárás közben. Ez a bevonat µm nagyságú anyagok kombinációja, ami a sol-gel eljárás szerint készül, szerves és szervetlen anyagokat láncolnak össze és kevernek alumínium részecskékkel ezáltal védőréteget alkotva. Ez a 7 µm vastag védőréteg, tribológiai viselkedésének köszönhetően lehetővé teszi hidegalakítás során, további kenés nélkül az anyagáramlás irányíthatóságát. Megjegyzendő, hogy ez a bevonat megakadályozza az ellenállás-ponthegesztést, így el kell távolítani a hegesztő művelet előtt. Az oxidáció megakadályozásának legújabb módja a lemezek oxidációt megakadályozó olajjal való bevonása. A védőréteget, ultrahanggal megtisztított és olajjal bevont lemez szárításával nyerik. A kiszárított olajból létrejövő szilárd film réteg nagy hőmérsékleten folyékony filmet képez, amely csökkenti a felületi oxidációt [3][24]. 2.5.4 Autóipari alkalmazási területek A 22MnB5 acélt alakíthatósága és edzési keményedő képessége ideális anyaggá teszi a járműiparban való felhasználáshoz. Előnyös tulajdonságai jól érvényesülnek biztonság szempontjából fontos területeken, ahol a behatolással szembeni ellenállás a legfontosabb, vagyis az utas kabinnál vagy a motor körül. Egyes járműipari alkalmazásaiként említhetők a következő elemek: A-oszlop, B oszlop, oldalsó ütközés védelmi elemek, küszöbök, váz elemek, ütközők, ütközőlemezek, ajtógerenda erősítések, tetőszerkezet elemek, kardán alagút, elülső és hátulsó kereszttartó. A lemez vastagság ezeknél a daraboknál 1 és 2,5 mm között változhat [3]. 55
3 A 22MnB5 acélon végzett vizsgálatok A 22MnB5 melegalakításra kifejlesztett acélon a kísérleti vizsgálatok egy részét a Gleeble 3500 fizikai szimulátor segítségével végeztük: a vizsgálatok bemutatása előtt a vizsgálóberendezést és az alapanyagot is bemutatom. 3.1 A Gleeble 3500 bemutatása A Gleeble 3500 egy integrált, digitálisan szabályozott termikus és mechanikus vizsgáló rendszer, amely képes futtatni és elemezni a termo mechanikus vizsgálatok és fizikai szimulációk során nyert adatokat. Két fő rendszerből áll: a termikus illetve a mechanikus rendszerekből. 3.1.1. ábra A Gleeble 3500 termo-mechanikus szimulátor a Miskolci Egyetem Anyagszerkezettani és Anyagtechnológiai intézet vizsgálólaborjában A termikus rendszer a közvetlen ellenállás hevítésnek köszönhetően képes akár 10.000 C/s hevítési sebességre, vagy egyensúlyi hőmérsékletek megtartására. A nagy hővezető képességű befogók miatt nagy hűtési sebesség is lehetséges, egy kiegészítő edző rendszerrel a hűtési sebesség is elérheti a 10.000 C/s sebességet is a darab felszínén. A darabok hőmérséklet mérését, a darabokra hegesztett termoelemek vagy infravörös pirométer teszi lehetővé. A 56
Gleeble 3500-on végzett termikus vizsgálatok jellemzően 3-10-szer gyorsabban végrehajthatók, mint a hagyományos, kemencével szerelt gépeken. A mechanikus rendszer egy komplett, teljesen integrált hidraulikus szervo rendszer, amely akár 100kN statikus húzó, vagy nyomó erő kifejtésére is képes, akár 1000 mm/s alakítási sebesség mellett. A mechanikus vizsgálatok ismételhetőségét és pontos végrehajtását az LVDT jel átalakítók, erőcellák és érintkezés nélküli lézeres nyúlásmérők biztosítják. A mechanikus rendszer lehetővé teszi az operátor számára, hogy bármilyen vizsgálat közben szabályozási mód váltást hajtson végre. Ez a képesség nyújtja azt a sokoldalúságot, amely szükséges több termo-mechanikus eljárás szimulálásához. A program bármikor, a szükséges gyakorisággal képes a szabályozó változók közötti átváltásra a vizsgálat ideje alatt. Az elérhető irányítási módok magukban foglalják a következőket: dugattyú elmozdulás, erő, számos extenzometer, valódi feszültség, valódi nyúlás, mérnöki feszültség, mérnöki nyúlás. 3.1.2. ábra A munkaterület felszerelés közben, jól láthatók a vezető rézpofák A Series 3 Digital Control System a vizsgáló berendezés irányítórendszere, ami a termikus és a mechanikus vizsgálatok változóinak szabályozásához 57
szükséges jeleket biztosítja a digitálisan szabályozott termikus és mechanikus szervo rendszeren keresztül. A Gleeble 3500 teljes mértékben számítógéppel, vagy manuálisan is vezérelhető, illetve a két módszert együttesen is alkalmazhatjuk a sokoldalú felhasználhatóság érdekében az anyagvizsgálatok során. A Gleeble 3500 számítógépes vezérlését egy Windows alapú munkaállomás és az irányító konzolban található nagyteljesítményű processzor végzi. A Windows munkaállomás rugalmas, párhuzamos feladatvégzésre alkalmas grafikus felhasználói felületet kínál, a szimulációs programok létrehozásához és a kapott eredmények kiértékeléséhez, illetve prezentációjuk elkészítéséhez. A Gleeble beépített processzora vezérli a vizsgálatot, és a szimulációs programot, az adatokat a Windows program irányításával gyűjti. A vizsgálatok, szimulációk végzése során lehetséges a felhasználói terminálon a következő vizsgálatok előkészítése, vagy az előzőek kiértékelése, mert az aktuális vizsgálat a Gleeble belső rendszerét terheli. 3.1.3. ábra A különálló irányítókonzol, amelyben a beépített processzor található 58
A vizsgálóberendezés különféle anyagvizsgálatokra és folyamat szimulációkra is alkalmas. Anyagvizsgálat során lehetséges: - Meleg szakítóvizsgálat többféle geometriájú darabon - Meleg nyomó vizsgálat - egytengelyű nyomás síkalakváltozási állapotban végzett vizsgálat alakváltozás okozta repedés nyílás - Feszültség-Nyúlás görbék felvétele - Olvasztás és szilárdítás - Zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet vizsgálata Folyamat szimuláció során lehetséges: - Folyamatos öntés - Mushy zone feldolgozás - Meleghengerlés - Kovácsolás - Sajtolás - Hegesztési hőhatás övezet ciklusok [30] - Meleg alakíthatóság vizsgálat - Hőciklus/hőkezelés hevítés és hűtés során folyamatos és nem folyamatos izotermás alakítás utáni - Feszültség csökkentés - Kúszás/feszültség okozta törés - Fárasztás o termikus fárasztás o termo-mechanikus fárasztás - Ellenállás hegesztés (Joule hővel és nyomással) - Diffúziós kötés - Folyamatos szalag lágyítás - Hőkezelés - Edzés - Porkohászat/szinterelés 59
3.2 A vizsgálatokhoz használt anyag tulajdonságai Katalógus szerinti értékek [29] 2. táblázat Vizsgált anyag tulajdonságai: Az SSAB Docol 22MnB5 acélra katalógus szerint jellemző adatok a következőek. Hidegen hengerelt állapotban Olajban edzve Vízben edzve Folyáshatár R p0,2 340 MPa Szakítószilárdság R m 480 MPa 1370 MPa 1590 MPa Nyúlás A 80 28% 8% 6% Keménység HV 140 450 520 E tulajdonságok vizsgálatát mi is elvégeztük 2-2 darabot felhasználva a különböző állapotokban mérhető értékek felvételére. Az általunk vizsgált állapotok a következők voltak: szállítási állapotban lévő, hidegen hengerelt alapanyag valamint 900 Con 15 percig hőntartott, majd különböző közegekben hűtött darabok. A hűtőközegek: mozgó levegő, olaj és víz. Az általunk vizsgált anyag más gyártótól származik, de tulajdonságai kis eltéréssel azonos tartományokon belül mérhetők. 3.2.1 Saját vizsgálatok által meghatározott értékek A 3. táblázat tartalmazza az általunk mért értékek átlagait. Az általunk végzett mérések jól mutatják, az anyag szilárdságának változását a hűtőközeg erélyességének függvényében. 3. táblázat Saját vizsgálatok által meghatározott értékek: A vizsgált alapanyag az Thyssen-Krupp által gyártott MBW 1500. Hidegen hengerelt állapotban Mozgó levegőn hűtve Olajban edzve Vízben edzve Folyáshatár Rp0,2 459 MPa 867 MPa 1187 MPa 1319 MPa Szakítószilárdság 1377,1 639 MPa 1153 MPa R m MPa 1606 MPa Nyúlás A 80 20,60% 5,10% 4,80% 4,60% Keménység HV 194 429 500 587 A keménység vizsgálatokat HVM 0,2 terheléssel végeztük, anyagonként 3 lenyomatot készítettünk, ennek eredményeit a 4. táblázat tartalmazza. 60
4. táblázat Alapanyag (szállítási állapot) Levegőn hűtött Olajban hűtött Vízben hűtött 1. lenyomat 201 413 502 573 2. lenyomat 185 426 492 588 3. lenyomat 196 448 508 600 Átlag 194 429 500,67 587 A további szilárdsági vizsgálatok eredményeit az 5. táblázat foglalja össze. 5. táblázat Anyagminőség Próbates t típus 22MnB5 22MnB5 22MnB5 22MnB5 22MnB5 22MnB5 22MnB5 22MnB5 Alapanyag Alapanyag levegő levegő olaj olaj víz víz P Jel. 1 2 1 2 1 2 1 2 a 0, mm 0,80 0,80 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 b 0, mm 9,98 9,90 9,97 9,95 9,96 9,96 9,98 9,95 S 0, mm2 7,98 7,92 8,08 8,06 8,07 8,07 8,08 8,06 a u, mm 0,35 0,38 0,50 0,60 0,58 0,57 0,59 0,55 b u, mm 8,21 8,24 9,41 9,50 9,52 9,55 9,36 9,45 S u, mm2 2,92 3,13 4,70 5,70 5,58 5,53 5,55 5,20 L u,mért A50 60,1 60,5 52,6 52,4 52,4 52,3 52,2 52,3 A 50, % 20,2 21,0 5,3 4,8 4,8 4,7 4,4 4,7 A 50, 20,6 5,1 4,8 4,6 átlag % Z, % 63,5 60,5 40,9 29,3 30,3 31,4 31,4 35,4 Z% 62,0 35,1 30,9 33,4 átlag Fp 0,2, N 3700 3600 6600 7400 9500 9600 10400 10900 F m, N 5078 5090 9605 9000 11000 11220 13005 12927 61
Rp 0,2, MPa Rp 0,2, MPa átlag 463,4 454,5 817,3 918,2 1177,5 1189,9 1286,5 1352,4 459,0 867,7 1183,7 1319,5 R m, MPa 636,0 642,7 1189,3 1116,7 1363,5 1390,8 1608,7 1604,0 R m, átlag MPa 639,3 1153,0 1377,1 1606,3 3.2.2 Mikroszkópi vizsgálatok A vizsgálatok során az anyagról mind a négy állapotában készültek mikroszkópi szövetképek, amelyek elkészítésénél a marószerként 2%-os HNO3-at használtunk 200X-os nagyításban: 3.2.1. ábra Alapanyag szállítási állapotban 3.2.2. ábra Levegőn hűtött darab 3.2.3. ábra Olajban hűtött darab 3.2.4. ábra Vízben hűtött darab 62
Az alapanyagon szállítási állapotban 200X-os nagyításban még látható a hengerlési irány, ez az anizotrópia az austenitesítés során teljesen eltűnik. Az alapanyag szerkezete ferrit-perlites. Az edzett daraboknál pedig észrevehető, hogy a nagyobb hűtési sebesség hatására a martenzit lemezek egyre vékonyabbá válnak. Levegőn történő hűtéskor foltokban ferrit található ez az 500X-os nagyításban szépen kiemelkedik a martenzit lemezek közül. 500X-os nagyításban: 3.2.5. ábra Alapanyag 3.2.6. ábra Levegőn hűtött darab 3.2.7. ábra Olajban hűtött darab 3.2.8. ábra Vízben hűtött darab 63
3.3 A Gleeble 3500 fizikai szimulátorral elvégzett vizsgálatok Az elvégzett melegszakító vizsgálatok során lemez szalagokat helyeztünk a gép vákuum kamrájába, a darabok befogására készített réz befogók közé. A kamra lezárását követően felépül a vákuum, majd a darabokat a befogópofák között létrejövő ellenállás hevítéssel felhevítjük a kívánt hőmérsékletre. Mivel vékony lemezeket használtunk a nagy hőmérséklet hatására oly mértékben ellágyult az anyag, hogy bizonyos esetekben az önsúly hatására alakváltozás lépett fel, ezért néhány másodpercnyi hőntartási időt követően szakítottuk el a meghatározott alakváltozási sebességekkel. A vizsgálatok során mértük a pofák próbatestre kifejtett húzó erejét, a darab nyúlását, valamint a próbadarabra hegesztett termoelemeken keresztül a hőmérsékletet. A vizsgálatok során több anyagtípust felhasználtunk, hogy összehasonlíthassuk a különböző anyagok alakváltozóképességét különböző hőmérsékleten. Ezek az anyagok a következők voltak: 22MnB5, DP600, DP800, DP1000. 3.3.1 22MnB5 melegszakító vizsgálatok A 22MnB5 acélt részletesebben 3 hőmérsékleten és 3 alakváltozási sebességgel vizsgáltuk, hiszen a szakdolgozat fő témája ezen acél felhasználása. Az alább vázolt diagramokon alakváltozási sebesség szerint csoportosítva látható az anyag melegszakító diagramja 500, 700 és 900 C hőmérsékleteken. 3.3.1. ábra 22MnB5 melegszakító diagramjai 0,1 1/s alakváltozási sebesség mellett 500,700 és 900 C-on 64
3.3.2. ábra 22MnB5 melegszakító diagramjai 0,01 1/s alakváltozási sebesség mellett 500,700 és 900 C-on 3.3.3. ábra 22MnB5 melegszakító diagramjai 0,001 1/s alakváltozási sebesség mellett 500,700 és 900 C-on A diagramokon jól látható, hogy azonos hőmérsékleteken az alakváltozási sebesség jelentős befolyással van a szakítószilárdságra, az alakváltozási sebesség csökkenésével együtt csökken a szakítószilárdság. Ez a jelenség a melegalakítás (2.3.1) fejezetben leírt metallográfiai összefüggéseket igazolja. A gyorsabban végbemenő alakítás során a valódi feszültség nagyobb, ami az alakítás hatására növekvő diszlokáció sűrűséggel magyarázható. Azonos 65
hőmérsékleten, de kisebb mértékű alakváltozás mellett a diszlokációknak több ideje van leépülni így az alakváltozási sebesség csökkenésével egyre kisebb hatást fejtenek ki az acél szilárdságára. 3.3.2 DP acélok melegszakító vizsgálatai A DP600, DP800 és DP1000 acélokat azonos alakítási sebesség mellett három különböző hőmérsékleten vizsgáltuk. 3.3.4. ábra DP600 melegszakító diagramjai 0,01 1/s alakváltozási sebesség mellett 500,700 és 900 C-on 3.3.5. ábra DP800 melegszakító diagramjai 0,01 1/s alakváltozási sebesség mellett 500,700 és 900 C-on 66
3.3.6. ábra DP1000 melegszakító diagramjai 0,01 1/s alakváltozási sebesség mellett 500,700 és 900 C-on 3.3.3 A 22MnB5 összehasonlítása a DP acélokkal A 4 acéltípus melegszakító diagramjait azonos alakváltozási sebesség mellett, hőmérsékletek szerint csoportosítva ábrázolják a következő ábrák. 3.3.7. ábra A 22MnB5, DP600, DP800 és DP1000 melegszakító diagramjai 0,01 1/s alakváltozási sebesség mellett 500 C-on 67
3.3.8. ábra A 22MnB5, DP600, DP800 és DP1000 melegszakító diagramjai 0,01 1/s alakváltozási sebesség mellett 700 C-on 3.3.9. ábra A 22MnB5, DP600, DP800 és DP1000 melegszakító diagramjai 0,01 1/s alakváltozási sebesség mellett 900 C-on Ahogy az várható, mindegyik acél a hőmérséklet növekedésével egyre kisebb feszültség mellett alakítható, azonban magasabb hőmérsékleteken a 22MnB5 a DP acélokhoz képest kisebb valódi feszültség mellett mutat azonos mértékű valódi nyúlást. 68
3.3.4 Kontrakció melegszakító vizsgálatok esetén Néhány próbadarab szakadási keresztmetszete is mérésre került így megvizsgálhatjuk, milyen mértékű kontrakció léphet fel egy melegszakító vizsgálat során. 3.3.10. ábra Kontrakció vizsgálat eredményei 0,01 1/s alakváltozási sebességgel melegszakított próbatestek esetén Vékony lemezek melegszakító vizsgálata során a kontrakció a szakadási keresztmetszetnél igen jelentős, a diagramon látható, hogy minden esetben 90% feletti érték. 3.3.5 A Gleeble 3500 program és valódi hőntartási hőmérsékletei közötti különbség A melegszakító vizsgálatok során a Gleeble a program által megkívánt hőmérsékletet hevítés közben nagyon pontosan követte, a hőntartást illetően volt pár esetben eltérés, ezekre mutatnak példát a következő ábrák. 69