Miskolci Egyetemi Közlemények, Miskolc, X. kötet. (2015) pp. JÁRMŰIPARI CÉLÚ ACÉLLEMEZEK MÉLYÍTHETŐSÉGE ÉS MÉLYHÚZHATÓSÁGA STRETCHABILITY AND DEEP-DRAWABILITY OF STEEL SHEETS USING IN AUTOMOTIVE INDUSTRY Dr. Danyi József, Dr. Végvári Ferenc, Béres Gábor Kecskeméti Főiskola GAMF Kar, Anyagtechnológia Tanszék 6000 Kecskemét Izsáki út 10. beres.gabor@gamf.kefo.hu Napjainkban a járműipari fejlesztések egyik fő területe a járművek tömegének csökkentése. A kisebb tömegű járművek üzemanyag fogyasztása kisebb lehet, ugyanakkor a környezetre káros hatású égéstermék is kevesebb. A járművek tömegének redukálása vékonyabb lemezek alkalmazásával érhető el. Ugyanakkor fontos, hogy az utazók biztonsága ne csökkenjen. Az utóbbi években új nagy és különösen nagy szilárdságú acélokat hoztak létre. E mellett egyre nagyobb mértékben alkalmaznak ún. hegesztett terítékeket a járműalkatrészek gyártásánál. (Folyamatosan nő a nem vasalapú ötvözetek alumínium és magnézium ötvözetek és a társított anyagok - járműipari felhasználása is, de az acélok továbbra is a járműipar legfontosabb szerkezeti anyagai maradtak.) Az acélok szilárdságának növelésével együtt jár alakíthatóságuk csökkenése. A gyártás megtervezése szempontjából fontos a felhasználásra kerülő új szerkezeti anyagok alakíthatóságának ismerete. Kutatómunkánk során néhány nagyobb szilárdságú lemezanyag és hegesztett teríték mélyíthetőségét és mélyhúzhatóságát vizsgáltuk hagyományos alakíthatósági módszerekkel, Erichsenféle mélyítő próbával és csészehúzó vizsgálattal. Kutató munkánkat a TÁMOP 4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 sz. pályázat támogatásával végezzük. A projekt szakmai vezetője Prof. Tisza Miklós, a Miskolci Egyetem professzora. Kulcsszavak: járműipari lemezek, hegesztett teríték, mélyíthetőség, mélyhúzhatóság Light-wieght constructions set the new trend in nowadays automotive developements. These constructions allow to reduce fuel consumption and emission. The weight loss can be created by using of thinner sheets, but the passenger safety can not be compromised. In this way more and more high strength and ultra high strength steels developments generated. The utilization of the non-ferrous alloys (aluminum and magnesium alloys) continously increases, but the steels remain the most important materials of car-body structures. Increasing of the strength causes the decreasing of ductility. The appropriate quality manufacturing requires the exact knowledge of these steels formability. During our experimental work we investigated the stretchability and the deep-drawability of high strength steels and tailor welded blanks, by using of standard Erichsen and standard cup-drawn test. This report presents the results of the experimental work, supported by TÁMOP 4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 competition, with the leadership of Miklós Tisza, Professor of University of Miskolc Keywords: high-strength steels, tailor-welded blanks, stretchability, deep-drawability
Bevezetés A főként a járműipar igényei szerint kifejlesztett acélok, lemezanyagok alkalmazása gazdaságossági kérdés és környezetvédelmi szempontból is indokolt. A nagyszilárdságú acélok (High Strength Steels, HSS) és különösen az ultra nagyszilárdságú acélok (Ultra High Strength Steels, UHSS) alakíthatósága a növelt szilárdságukkal arányosan kisebb, mint az ún. hagyományos, hidegalakításra szánt lágyacélok alakíthatósága. (1. ábra)[1,2] 1. ábra. Lemezanyagok szakító szilárdsága és fajlagos nyúlása. Az alkatrészgyártás technológiájának és a szerszámozás tervezése szempontjából szükséges az új fejlesztésű acéllemezek alakíthatósági jellemzőinek ismerete. A nagyszilárdságú lemezanyagok előállítása drágább is mint a hagyományos lemezeké. Ez indokolja, az ún. hegesztett (tailored) terítékekből történő alkatrészgyártást. Hegesztett teríték esetén, csak az a teríték rész készül nagyobb szilárdságú (esetenként különböző vastagságú, ill. különböző bevonatú) lemezből, amely az alkatrész nagyobb mechanikai, ill. környezeti terhelésű részére kerül.[3] A hegesztett terítékek alakításánál az egyes részek eltérő szilárdsági és alakíthatósági tulajdonságai további gondokat okozhatnak. 1. A vizsgált lemezanyagok és a kísérleti berendezés Az ERICHSEN féle mélyítési és a mélyhúzhatósági (csészehúzó) próbákat az 1. táblázatban látható lemezanyagokon végeztük. A DC 04 jelű, jól alakítható és mélyhúzható lemezeket azzal a céllal vizsgáltuk, hogy vizsgálataik eredményei összehasonlítási alapul szolgáljanak a nagyobb szilárdságú lemezanyagok megfelelő jellemzőinek. A táblázatban feltüntettük a lemezeknek az alakíthatósági szempontból döntő, szakító vizsgálatból meghatározott jellemzőit. A méréseket az ERICHSEN-142-40 típusú univerzális lemezvizsgáló gépen végeztük (2. ábra).
Material Th.ness [mm] Re [MPa] Rm [MPa] A80 [%] z[%] n r DC04 1 179,2 311,7 43,3 55,9 0,221 1,14 DP600 1 450,6 678,7 19,7 70,5 0,144 0,708 DP800 1 603,6 878,2 12,7 57,5 0,102 0,758 DP1000 1 730,7 1050,1 11,3 52,8 0,097 0,733 1. táblázat. A vizsgált lemezanyagok jellemzői 2. Mélyítési vizsgálatok 2.1 Erichsen mélyítési próbák 2. ábra. ERICHSEN 142-40 lemezvizsgáló gép Az Erichsen próbák vázlata, ill. szerszám-összeállítása a 3. ábrán látható. A próba során, a ráncgátlóval leszorított lemezt a félgömb fejű bélyeg a húzógyűrűbe nyomja. A lemez elmozdulni nem tud, benne nyújtva húzás jellegű alakváltozás, nyúlás-vékonyodás játszódik le. A kísérlet eredménye az a bélyeg elmozdulás (h), amelynél a lemez elszakadása megkezdődik. Az eredményt az IE=h kifejezéssel adjuk meg. Az a lemez a jobban alakítható, amelyiknél ez az érték nagyobb. Fontos megjegyezni, hogy ez az ún. Erichsen-féle mélyítési szám nem korrelál szorosan a lemezanyag mélyhúzhatóságával, hiszen nem mélyhúzó, hanem nyújtva-húzó műveletről van szó. Mégis fontos alakíthatósági jellemzőnek tekinthető, hiszen éppen a járműkarosszéria gyártásban, az alakító műveletek többsége nyújtva-húzó, vagy mélyhúzó és egyidejűleg nyújtva-húzó folyamat. Ezen túl ez a vizsgálat további információkat is ad a vizsgált lemezről. Amennyiben a lemez elvékonyodása és
elszakadása körvonal mentén történik, a lemez izotrópnak tekinthető. Egyenes vonalú, a hengerlés irányával párhuzamos repedés erős anizotrópiát jelez, ami az alakítás szempontjából kedvezőtlen. A szakadási vonal egyenetlensége pedig durva szemcsés szövetszerkezetre utal. A 3. ábrán a mélyítő próba vázlata mellett egy izótrópiát és egy anizotrópiát mutató mélyítési vizsgálati próbatest is látható. 3. ábra. Az Erichsen próba vázlata és egy-egy izotróp és anizotróp lemez próbája A vizsgált lemezanyagok mélyítési eredményei a 2. táblázatban, a mélyítési próbatestek a 4. ábrán láthatók. Lemezanyag DC04 DP600 DP800 DP1000 h /mm/ 10,46 9,75 9,76 9,13 2. táblázat. A vizsgált lemezanyagok mélyítési számai
2.2 Mélyítési próbák nagyméretű szerszámokkal 4. ábra. A lemezeink mélyített próbái Mélyítési próbákat végeztünk a lemezvizsgáló gépen rendelkezésre álló nagyobb méretű szerszámokkal is. A szerszám-összeállítás az 5. ábrán látható. Ez a vizsgálat Limiting Dome Height Test néven is megtalálható és az ún. alakítási határgörbék felvételéhez is használják.[4] 5. ábra. Nagyméretű mélyítő szerszám Ilyen méretek mellett már jobban megmutatkozik a különböző szilárdságú lemezek mélyíthetőségének különbsége (3. táblázat). Anyag DC04 DP600 DP800 DP1000 H (mm) 42,075 30,325 24,7 25,45 3. táblázat. Különböző szilárdságú lemezek mélyítési eredményei Az 6. ábrán a lágyacél (DC 04) és a nagyszilárdságú lemez (DP 1000) mélyített próbatestei láthatók. 6. ábra. Nagyméretű mélyítő vizsgálat próbái
2.3 Hegesztett lemezek mélyíthetősége DC 04-es és DP-s lemezekből összehegesztett terítékeken is végeztünk mélyítési kísérleteket. Példaként a DC 04 és a DP1000 jelű lemezekből készült teríték mélyítő próbáját mutatjuk be. (7. ábra) 7. ábra. Hegesztett teríték mélyített próbája A hegesztett terítékre felvitt mérő háló segítségével értékelhető a teríték részeinek alakváltozása. Látható, hogy lényegében csak a kisebb szilárdságú teríték rész alakváltozott. A nagyobb szilárdságú lemezrész a hegesztési varrattal párhuzamos irányú nyúlást is megakadályozta. A kisebb szilárdságú rész nyúlt és vékonyodott, majd végül elszakadt. 3. Mélyhúzhatósági vizsgálatok 3.1 Homogén lemezek mélyhúzhatósága A kiválasztott lemezekkel mélyhúzhatósági vizsgálatokat végeztünk a 8. ábrán látható szerszámmal, mely szintén a lemezvizsgáló gép tartozéka.
8. ábra. A mélyhúzhatósági (csészehúzó) vizsgálat vázlata A mélyhúzhatósági vizsgálat az egy lépésben kihúzható maximális teríték átmérőt határozza meg a szerszámban látható 33 mm átmérőjű bélyeggel. Az előkészített terítékek átmérője 60, 62, 64 80 mm volt. Az eredményt IG=68 kifejezéssel adjuk meg, ha a kihúzható maximális terítékátmérő 68 mm-re adódott. A kísérletek előtt meg kellett határozni a ráncgátló nyomásokat, ill. a gépen beállítandó ráncgátló erőket. Nagyszilárdságú lemezeknél a ráncgátló erők értékei jelentősen nagyobbak kell, hogy legyenek, mint a hagyományos mélyhúzó lemezek esetén. A mérések eredményeit a 9. ábrán mutatjuk be. Az ábra jól mutatja az egyes lemezek mélyhúzási határ-viszonyát és a szükséges mélyhúzó erők közti különbségeket is. 9. ábra. Különböző lemezek mélyhúzhatósági határai Példaként a két szélső eset, a DC 04 és a DP 1000 jelű lemezekből húzott csészék láthatók a 10. ábrán.
10. ábra. DC04 és DP1000 lemezekből mélyhúzott csészék 3.1 Hegesztett lemezek mélyhúzhatósága Hegesztett lemezek mélyhúzhatósági vizsgálatához a 11. ábrán látható hegesztett lapokból készítettünk 60, 62, 64,... 80 mm átmérőjű terítékeket. A mélyhúzó kísérletekhez megfelelő ráncgátló nyomás, ill. erő értékek beállítása különösen sok gondot okozott, sok elő-kísérletet igényelt. 11. ábra. Terítékek kimunkálása hegesztett lemezekből A kísérletek eredményei a 12. ábrán láthatók. Az anyagpáronkénti maximális húzási viszony értékek jelentősen különböznek, a szakadást okozó erők közel azonosak. Természetesen minden esetben a kisebb szilárdságú részben következett be a szakadás.
12. ábra. Hegesztett lemezek mélyhúzhatósági határai Hegesztett lemezekből mélyhúzott csészék példaként a 13. ábrán láthatók. 13. ábra. DC 04 és DP 1000-es lemezekből hegesztett mélyhúzott próbatestek 4. Következtetések A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy az egyre nagyobb szilárdságú lemezek járműipari alkalmazásához, alakíthatóságukkal kapcsolatos számos kérdés vetődik fel. Homogén terítékek alkalmazásánál problémák könnyebben megoldhatók. Hegesztett lemezeknél azonban a teríték egyes részeinek eltérő szilárdsági és alakíthatósági jellemzői okozta problémák és különösen azok kiküszöbölése nagyon sok újabb ismereteket igényel. Irodalom [1] T. Altan, E. Billur: Forming of High Strength Steels (HSS and A/UHSS) in Automative Industry AIDA - Anemica, Dayton, OH jun.13-14.2012.center of Precision Forming.
[2] Tisza Miklós: Nagyszilárdságú acélok alakíthatósága, innovatív technológiák a járműiparban, Zárókonferencia, 2014. nov.27-28. TÁMOP-4.2.2.A -11/1 KONV- 2012-0029. [3] Anna M. Lokka: An Economic Evaluation of Tailor Welded Blanks in Automative Applications, Massachusetts Institute of Technlogy, 1977. szept. Thesises for degree Master of Science [4] A. A. Zapor, J. Sinke, R. Benedictus. Prediction of Limit Strains in Limiting Dome Height Formability Test