Anyagmérnöki Tudományok, 39/1 (2016) pp. 19 28. JÁRMŰIPARI CÉLÚ ACÉLLEMEZEK MÉLYÍTHETŐSÉGI ÉS MÉLYHÚZHATÓSÁGI PROBLÉMÁI STRETCHABILITY AND DEEP-DRAWABILITY PROBLEMS OF STEEL SHEETS USING IN AUTOMOTIVE INDUSTRY DANYI JÓZSEF 1 VÉGVÁRI FERENC 1 BÉRES GÁBOR 1 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 alumíniumés magnéziumötvözetek 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 lemezanyag DC 04 jelű jól mélyhúzható, DP 600, DP 800 és DP 1000 jelű nagyszilárdságú és az ezekből készült hegesztett terítékek mélyíthetőségét és mélyhúzhatóságát vizsgáltuk hagyományos alakíthatósági módszerekkel, Erichsen-féle mélyítő próbával és csészehúzó vizsgálattal. 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 toxic gas 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 have been generated. The utilization of the nonferrous 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 some sheet metal materials as DC 04 well drawable, DP 600, DP 800, and DP 1000 high strength steels and the tailor welded blanks made from them by using of standard Erichsen and standard cup-drawing test. 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 fejlett nagyszilárdságú acélok melyeket a nemzetközi szakirodalom AHSS-nek (Advanced High Strength Steelnek) nevez alakíthatósága a növelt szilárdságukkal arányosan kisebb, mint az ún. hagyományos, hidegalakításra szánt lágyacélok alakíthatósága. Ez az állítás igaz az egyszerűen nagyszilárdságú acéloknak nevezett (High Strength Steels, HSS) anyagokra, és különösen igaz az ultra nagyszilárdságú acéloknak nevezett (Ultra High Strength Steels, UHSS) acélfajtákra, melyek az AHSS-ek alcsoportjait képezik (1. ábra) [1, 2]. 1 Kecskeméti Főiskola GAMF Kar, Anyagtechnológia Tanszék 6000 Kecskemét, Izsáki út 10. beres.gabor@gamf.kefo.hu
20 Danyi József Végvári Ferenc Béres Gábor 1. ábra. Lemezanyagok szakítószilárdsága 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 terítékrész 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. 1. táblázat A vizsgált lemezanyagok jellemzői Anyag Lemezvastagság [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
Járműipari acéllemezek mélyíthetőségi és mélyhúzhatósági problémái 21 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, szakítóvizsgálatból meghatározott jellemzőit. Az irányfüggő tulajdonságok esetében (n, r), az átlagos értékeket adtuk meg. A méréseket az ERICHSEN-142-40 típusú univerzális lemezvizsgáló gépen végeztük (2. ábra). 2. MÉLYÍTÉSI VIZSGÁLATOK 2. ábra. ERICHSEN 142-40 lemezvizsgáló gép 2.1. Erichsen mélyítési próbák 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 nyújtvahúzó 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 izotrópiát és egy anizotrópiát mutató mélyítési vizsgálati próbatest is látható.
22 Danyi József Végvári Ferenc Béres Gábor 3. ábra. Az Erichsen-próba vázlata és egy-egy izotróp, ill. anizotróp lemez próbája A vizsgált lemezanyagok mélyítési eredményei a 2. táblázatban, a mélyítési próbatestek a 4. ábrán láthatók. 2. táblázat A vizsgált lemezanyagok mélyítési számai Lemezanyag DC04 DP600 DP800 DP1000 h /mm/ 10,46 9,75 9,76 9,13 4. ábra. A lemezeink mélyített próbái
Járműipari acéllemezek mélyíthetőségi és mélyhúzhatósági problémái 23 2.2. Mélyítési próbák nagyméretű szerszámokkal 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 3. táblázat Különböző szilárdságú lemezek mélyítési eredményei Anyag DC04 DP600 DP800 DP1000 H (mm) 42,075 30,325 24,7 25,45 A 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 DP 1000 jelű lemezekből készült teríték mélyítő próbáját mutatjuk be. (7. ábra)
24 Danyi József Végvári Ferenc Béres Gábor 7. ábra. Hegesztett teríték mélyített próbája A hegesztett terítékre felvitt mérőháló segítségével értékelhető a teríték részeinek alakváltozása. Látható, hogy lényegében csak a kisebb szilárdságú terítékrész 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 terítékátmérőt határozza meg. Az alakváltozás mértékét nagyban meghatározó bélyegkialakításokat szabvány tartalmazza. A kísérleteink során 33 mm átmérőjű, 5 mm-es lekerekítési sugárral rendelkező bélyeggel dolgoztunk. Az előkészített terítékek átmérője 60, 62, 64 80 mm volt. A 72 mm
Járműipari acéllemezek mélyíthetőségi és mélyhúzhatósági problémái 25 terítékátmérőt meghaladó próbatestek lealakítására egyik esetben sem került sor a szakadás hamarabbi bekövetkezése folytán. 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 (β = 72/33 = 2,18 ) és DP1000 (β = 62/33 = 1,87) lemezekből mélyhúzott csészék
26 Danyi József Végvári Ferenc Béres Gábor 3.2. 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. erőértékek beállítása különösen sok gondot okozott, sok előkísérletet 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
Járműipari acéllemezek mélyíthetőségi és mélyhúzhatósági problémái 27 Hegesztett lemezekből mélyhúzott csészék példaként a 13. ábrán láthatók. 13. ábra DC 04 és DP 1000-es lemezekből hegesztett mélyhúzott próbatestek KÖVETKEZTETÉSEK A homogén lemezek hagyományos kísérleti eredményei igazolják, hogy a nagyobb szilárdságú lemezek alakíthatósága jelentősen kisebb, pl. az Erichsen-féle mélyítési szám közel a felére csökken a DC 04 és DP 1000 lemezanyag viszonylatában. A kísérleti eredmények azt is mutatják, hogy az egyre nagyobb szilárdságú lemezek járműipari alkalmazásához alakíthatóságukkal kapcsolatos számos kérdés vetődik fel. Homogén terítékek alkalmazásánál a problémák könnyen megoldhatók, ha a nagyobb szilárdságú lemezek mélyhúzásánál nagyobb ráncgátló nyomást (4 5 MPa) biztosítunk. Az irodalmi adatok acélra 2 3 MPa-t javasolnak. Hegesztett lemezeknél azonban a teríték egyes részeinek eltérő szilárdsági és alakíthatósági jellemzői okozta problémák miatt az eltérő nyúlás-elvékonyodás, nem azonos mértékű anizotrópia és különösen azok figyelembevételére új megoldásokat kell keresni. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Kutatómunkánkat 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. 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 IRODALOMJEGYZÉK [1] ALTAN, T. BILLUR, E.: 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.
28 Danyi József Végvári Ferenc Béres Gábor [3] LOKKA, Anna M.: An Economic Evaluation of Tailor Welded Blanks in Automative Applications. Massachusetts Institute of Technlogy, Sept 1977. Thesises for degree Master of Science [4] ZAPOR, A. A. SINKE, J. BENEDICTUS, R.: Prediction of Limit Strains in Limiting Dome Height Formability Test Li G.Y., Shy X. Q.: Effects of bismuth on growth of intermetallic compounds in Sn-Ag-Cu Pb-free solder joints. Trans. Nonf. Met. Soc. China, 16 (2006) 739 743.