Budapesti Műszaki M és s Gazdaságtudom gtudományi Egyetem Nagyszilárds rdságú TRIP-ac acélok hegesztett kötéseinek k vizsgálata OROSZ CSABA Anyagtudomány és Technológia Tanszék ÁEF Anyagvizsgáló Laboratórium Kft.
Az előad adás s főf pontjai Bevezetés A TRIP acélok jellemzői A TRIP acélok hegesztési si problémái Eddigi vizsgálati eredmények Az eredményekb nyekből l levonható következtetések További vizsgálatok
BEVEZETÉS A TRIP acélok, nagyszilárds rdságú acélok Szakítószilrdság, Mpa Nyúlás, % A NAGYSZILÁRDSÁGÚ ACÉLOK TIPIKUS FELHASZNÁLÁSA
A nagyszilárds rdságú acélok tipikus alkalmazása a karosszéria ria elemek Alapanyag típusok: Porsche Cayenne karosszéria elemek (Forrás: www.thyssen-krupp-stahl.com)
Tipikus TRIP acél l felhasználás (Forrás: www.thyssen-krupp-stahl.com) Belső panel Anyagvastagság: 1.5 mm/ 0.06 Merevítő elem Anyagvastagság: 1.0 mm/ 0.04 TRIP700 TRIP700 Porsche Cayenne B oszlop: TRIP acél
A TRIP acélok gyárt rtása Az ún. többes t fázisf zisú szövetet interkritikus lágyítás s hőmérsh rsékletéről l végzett v lépcsl pcsős lehűtéssel érhetjük k el. A melegszalag utolsó szúrása, sa, vagy a hidegszalag felhevítése se után az A 1 és s az A 3 hőmérsékletek között k meghatározott idejű hőntartás interkritikus hőkezelés hatására 50/50% ausztenit/ferrit szövetszerkezet jön j n létre. l Ezt követk vetően en olyan hűtési si sebességgel kell az acélt a bénites mező tartomány nyára (350 500 C) lehűteni, hogy a perlites átalakulás s tartomány nyát t el lehessen kerülni. Ez a hűtési h sebesség g 15 32 C/s lehet az acél hőmérséklet összetételétől l függf ggően. Majd a bénites tartományban 3 10 percig állandó hőmérsékleten kell tartani az anyagot. Ezt követi k egy viszonylag lassú 3 8 C/s sebességű szobahőmérs rsékletre való lehűtés. s. Az interkritkus hőkezeléskor keletkező szövet két k t fázisf zisának arány részben r a hőmérsh rséklettől, l, részben r az azt megelőző szövetszerkezett vetszerkezettől, tovább bbá a hőkezelh kezelés s idejétől l függ. f Az interkritikus hőkezelést megelőző szövet ugyanis az alkalmazott technológi giától l függf ggően kétfk tféle lehet. Amennyiben a hőkezelh kezelést megelőző hőmérséklet az A3-nál l jóval j nagyobb, a kiinduló szövet tiszta, homogén ausztenitből áll. Ha ilyen acél l az interkritikus tartományba kerül, az átalakulás s a ferrit kiválással kezdődik, dik, ami viszonylag lassú folyamat. Ez esetben az egyensúlyi állapotnak megfelelő ausztenit viszonylag homogén n a karbontartalom eloszlásának vonatkozásában. Ez az eset akkor áll elő,, ha az interkritikus hőkezelést melegalakítás előzi meg.
Tipikus kémiai k összetételtel Vizsgált TRIP 700 acéllemezek kémiai összetétele Gyárt rtó Ötvöző C Mn Si Al P S Thyssen TRIP700 tömeg % 0,28 1,41 0,28 1,08 0,016 0,001 Dunaferr 0,2 1,7 0,35 0,5 0,112 0,008
Mechanikai tulajdonságok Acél Folyáshat shatár [MPa] Szakító- szilárds rdság [MPa] Átlagos szakadásiny sinyúlás [%] DUNAFERR 332 451 792 28,3 THYSSEN TRIP 700 539 751 28
Röntgen diffrakciós s szerkezeti vizsgálat Ferrites mátrix + [maradék ausztenit martenzit] Az alakváltozás hozza létre az átalakulást az alakítás során 16000 (110)tkk 12000 Intensity 8000 lkk lkk lkk lkk 4000 (220)tkk (220) tkk (220)tkk (311) tkk 0 40 60 80 100 120
A TRIP acél l szilárds rdságnövelésében az AlN fázisok is részt r vesznek (Alapanyag, 100.000 x nagyítás) 50nm
A TRIP acél l tipikus hegesztési si feladatai és s nehézs zségei ACÉLM LMŰ: Tekercsek végtelenv gtelenítése - cink bevonatos tekercsek végtelenv gtelenítése: nehéz ömlesztő hegesztéssel ssel varratot készk szíteni ELŐGY GYÁRTÁS: Hegesztés s sajtolás ELŐTT geometriai és metallurgiai bemetszések sek jelenléte JÁRMŰ ÖSSZESZERELŐ ÜZEM: Hegesztés sajtolás UTÁN rideg kötések k jönnek j létrel JAVÍTÁS: Hegesztés/újrahev jrahevítés a sérült s részekenr javíthat thatósági határ.
AWI ívpont-hegesztés 90% Ar - 10% N összetételű védőgázban argonvédőgázas volfram-elektr elektródos ívpont - hegesztéssel ssel készk szített minta elektronmikrószk szkópos felvétel telén n jól j látható a dendritágas szerkezet kialakulása.
TIG ívpont-hegesztés, s, a védőgázba v N 2 bekeveréssel 700 600 Hardness, HV 500g 500 400 300 200 100 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Distance across Weld 100 % Ar 90Ar+10%N 50Ar +50 N
Varratfém, oszlopos elsődleges kristályosod lyosodás, nagy blokkolt diszlokáci ció sűrűség TEM, 50.000 x 200nm
Ellenáll llás s ponthegesztés A varrat határvonala mentén n detektált repedés s védőgáz v atmoszféra nélkn lkül l hegesztett mintán n keletkezett Keresztmetszet Penetráci ciós s vizsgálat
Kristályosodási repedés az ellenállás ponthegesztéssel készített varratban
Nyíró szakító vizsgálat, a nitrogén itt is ridegebbé tette a kötéstk 50% Ar+50% N ARGON A nyíró szakító vizsgálati eredmények is arra engednek követ- keztetni,, hogy a nitrogén n hatása a mechanikai tulajdonságra nem el- hanyagolható.. Tisztán n argon védőgáz v atmoszférában ellenáll llás s pont- hegesztéssel ssel készk szített kötésnk snél l a hőhatásövezetben indul el a kigombolódás,, míg m g a nitrogén n jelenlétében készk szült kötésnk snél l a varraton keresztűl halad a törés. t 9.4 kn 75 MPa 4 mm dia 11.43 kn 91 MPa 4 mm dia
Nitrogén n hatása a keménys nységre, ellenáll llás s ponthegesztésn snél 700 600 500 400 Varratban mérve 300 200 100 0 Alapanyag 100%Ar 90Ar/10N 50Ar/50N HV 10
Ellenáll llás s ponthegesztés s különbk nböző Ar+N 2 atmoszférában A darabok igen erős bemágneseződése volt tapasztalható a hegesztés során. Ezt a tulajdonságot az acéllemezből készült edénynek tulajdonítottuk.
Alumínium készk szülékben is bemágnesez gneseződtek a darabok Az acéllemez helyett alumíniumból készítettünk a védőgázatmoszféra biztosítására új edényt. Az új kísérletek során a mágneses tulajdonság, mint az előző esetben kimutatható volt.a bemágneseződés a TRIP acélok tulajdonsága, sok probléma forrása lehet. Ezért ennek a tulajdonságnak külön kísérletsorozatot kell szentelni, ahol a TRIP acél mágneses tulajdonságaira valamint felmágneseződésének elkerülésére megoldást kaphatunk.
Feltételez telezés: a TRIP acélokn loknál l nem csak edződési repedés s jön j n létrel Feltételez telezés: az oldott gázok g is szerepet játszanak a repedésekben, mert erősen hatnak a fázisok stabilitására, a kristályosod lyosodási si folyamatokra és s a varrat ridegedésére re Ez a gáz g z a nitrogén Kihívás: Nehéz z elkülöníteni a Nitrogén/f n/fém reakciót t az Oxigén és s a Hidrogén n hatásától Nehéz z elkülöníteni a Nitrogen/fém reakciókat kat a hegesztésn snél 1) az ív v plazmában ban-,, 2) a folyékony acélban lban- és 3) a hőhath hatás övezetben.
Miért éppen nitrogén n (N( 2 ) gáz? Természetes gáz g (78 % a levegőben ben), jelen van az aminosavakban és s az élő anyagokban Színtelen ntelen, szagtalan, íztelen kétatomosk gáz, normál állapotban inert gáz, g, 925 C -ig A N 2 63 K en cseppfolyós,, a legáltal ltalánosabb kriogén n gázg Széles körben k ismertek a hidrátjai, mint az ammónia NH 3 ; az oxidjai N 2 0 a nevettető gázban, gyakori az élelmiszeripari alkalmazás, és N 2 O 5 a robbanó anyagokban
A nitrogén n oldódása a különböző fázisokban A nitrogén n oldódását t a Siewert törvény írja le: log[ % N 188 ] folyadék = 1.24 pn T 2 log[ % N 450 ] ausztenit = 1.95 pn T 2 log[ % N 1540 ] ferrit = 1.02 pn T 2
A nitrogén n oldódása a hőmérséklet függvf ggvényében N, % 5,000 4,000 3,000 2,000 Ausztenitben N oldódása az acélban Folyadék fázisban N,% (p=0,8) N,% (p=0,5) N,% (p=0,1) Ahol p=0,8 a levegőn történő oldódást, a p=0,5 ill. a p=0,1 az 50% ill a 10% nitrogén tartalmat jelenti argon/nitrogén védőgáz atmoszférában 1,000 0,000 0 2000 4000 6000 Ferritben Hőmérséklet, K
A nitrogén n diffúzi ziójának modellezése (s =1,2 mm) Diffusion depth in austenite structure Depth, mm 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 x, mm 0 0 200 400 600 800 1000 Welding time, second A nitrogén diffúziós tényezője ausztenitben:d=0,00335 cm 2 /s; ferritben: D=0,00047 cm 2 /s
Ívhegesztési si és s egyéb b kísérletekk AWI - hegesztés Fogyóelektr elektródás s védőgázas v ívhegesztés Előmeleg melegítési vizsgálatok Az alapanyagok túlzott t zárvz rványtartalma miatt a mechanikai vizsgálatok nem értékelhetők, k, a kísérletek k csak előkísérletnek tekinthetők Mágnesezhetőségi gi vizsgálatok
Az előmeleg melegítés s eredményei Keménys nység g mérésm Alapanyag HV200 HAZ Varratfém Terhelés: Szakító vizsgálat 20kN Mérési pontok 32 21 8 Hőmérséklet: 20 C 1 2 Átlag Min. Max. Mérési pontok Átlag Min. Max. Mérési pontok 215 205 230 30 256 248 268 31 309 260 441 20 360 250 461 20 329 306 383 8 357 303 396 8 Jel 1 2 3 4 Gép typ: Anyag TRIP700 TRIP700 TRIP700 TRIP700 EDZ-20 Max.. Erő [kn] 9,1 10,2 11,8 12,3 Szakító- szilárds rdság [N/mm 2 ] 722 803 845 880 3 Átlag Min. 260 240 379 248 370 300 Előmeleg melegítés s T e [ C] Max. 289 487 413 1 25 4 Mérési pontok Átlag Min. Max. 30 315 238 338 19 349 273 394 8 331 305 349 2 3 4 150 300 220
A vizsgálatok eredményeinek értékelése ELŐMELEGÍTÉS HATÁSÁRA NŐ A KEMÉNYSÉG 400 375 HV 200 a 350 325 300 275 250 225 200 Alapanyag HAZ Varratfém 25 C 150 C 220 C 300 C
A vizsgálatok eredményeinek értékelése NITROGÉN HATÁSA A TRIP acélok hegesztésn snél l nem csak az edződés s miatt ridegnek el Az argon védőgázhoz v kevert nitrogén tartalomtól l függenek f a varratok mechanikai tulajdonságai A nitrogén ridegíti a varratokat A nitrogén n nem vegyületf letfázisokat hoz létre l a varratban, öregedést hoz létre l és s ezen keresztül ridegít
Mágnesezhetőségi gi vizsgálatok Hengerlési irány Alakítás s mértm rtéke [%] B M [T] B R [T] H C [A/m] Párhuzamos rhuzamos 1 2 3 4 20 20 13,75 0 1,759 1,775 1,736 1,503 0,619 0,620 0,635 0,989 575 582 568 520 5 14 1,738 0,698 583 Merőleges 6 7 14,45 2,5 1,657 1,565 0,669 0,797 575 555 8 0 1,404 0,903 541
A vizsgálatok eredményeinek értékelése MÁGNESEZHETŐSÉGI VIZSGÁLATOK Párhuzamos Hc [A/m] 590 580 570 560 550 540 530 520 510 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 0 5 10 15 20 25 Alakítás mértéke [%] Br [T] Hc [A/m] Br [T]
A vizsgálatok eredményeinek értékelése MÁGNESEZHETŐSÉGI VIZSGÁLATOK Merőleges 590 1,000 Hc [A/m] 580 570 560 550 540 0,800 0,600 0,400 0,200 Br [T] Hc [A/m] Br [T] 530 0,000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Alakítás mértéke [%]
További vizsgálatok terve Kis zárvz rványtartalmú TRIP acélok beszerzése se Ellenáll llás s ponthegesztési si kísérletek, k az előmeleg melegítés s hatásának vizsgálata A TRIP acélok ellenáll llás s ponthegesztési si technológi giájának kidolgozása Javaslat a TRIP acélok bemágnesez gneseződésének nek elkerülésére. re.