Kurzus cím 1.-4. modul: Korszerű, növelt szilárdságú acélok a járműváz és karosszéria gyártásában A jegyzet célja, hogy összefoglalót adjon elsősorban a gépjárműgyártásban felhasznált korszerű, növelt szilárdságú acéltípusokról. A növelt szilárdságú acélok fejlesztése az elmúlt 20-30 évben lépett egy intenzív szakaszba, amelyet leginkább a gépjárműgyártók fejlesztési igényei keltettek. Ennek megfelelően a jegyzetben azokról az acéltípusokról adunk összefoglalót, amelyeket a gépjármű kocsiszekrények gyártásához használnak fel, azaz a növelt szilárdságú, hidegalakításra szánt, elsősorban hidegen alakított lapostermékek köréről. A járműgyártói igények miatt eme acéltípusok felhasználása ma az összes acélfelhasználáson belül jelentős, az acél félkésztermék gyártók is számottevő termelői kapacitásokat építettek ki, az acélok kutatási és fejlesztési területén belül pedig az egyik legfontosabb irányvonallá vált. A jegyzet célja nemcsak az egyes acéltípusok ismertetése, hanem annak bemutatása, hogy az egyes típusoknál melyik szilárdságnövelő hatáselvet használják ki a gyártók. Ezzel igyekszünk segíteni azt, hogy az egyes típusok közötti rokonságot felismerjük, és így a korszerű növelt szilárdságú acélok csoportjai átláthatók legyenek. Mivel a jegyzet nagy hangsúlyt fektet a szilárdságot növelő hatáselvek tárgyalására, amelyek egyetemes elvek, az olvasó nemcsak a hidegen alakított lapostermékek körében fog ismerethez jutni, hanem hasonlóságot fedezhet fel más területek hasonló hatáselven működő acéltípusaival is, hiszen ezek a fejlesztési eredmények nem maradtak kizárólag a gépjárműgyártás területén belül. Az elvek bemutatásánál a technológiai és metallurgiai folyamatokat csak olyan részletességgel tárgyaljuk, amely a megértéshez szükséges, azaz feltételezi, hogy olvasója ismeri a fémek és acélok technológiáihoz kapcsolódó fontosabb alapfogalmakat. Az acéltípusok ismertetésén kívül figyelmet fordítunk a növelt szilárdságú, hidegalakításra szánt acélok jelöléséi rendszerére, valamint azokra a módszerekre, amelyek ma a hidegalakításra szánt lapostermékek vizsgálatára általánosan elfogadottak.
1. modul: A korszerű, növelt szilárdságú acélok általános bemutatása A modulban bemutatásra kerülnek a korszerű, növelt szilárdságú acélok fontosabb típusai az alapanyag alaptulajdonságai és a felhasználás szempontjából. Az egyes típusoknál megemlítjük a szövetszerkezeti felépítést is, de mindezekre a későbbi modulokban részletesebben is kitérünk. A modul tartalmazza a korszerű, növelt szilárdságú acélok jelenleg alkalmazott szabványos jelölési rendszerét is.
1. lecke: A korszerű, növelt szilárdságú acélok fontosabb típusai és jelölési rendszere Cél: A lecke célja, hogy az olvasó egy átfogó képet kapjon a korszerű növelt szilárdságú acélok fontosabb típusairól, hogy az egyes acéltípusok részletesebb tárgyalásakor könnyebben eligazodjon. Ezen felül az olvasó ebben a fejezetben sajátíthatja el a nagy szilárdságú, hidegalakításra szánt lapostermékek jelölési rendszerét, amely a későbbi leckékben található jelölések értelmezésében fog segíteni. Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes • egy adott acél jelölését értelmezni, • a jelölése alapján az acéltípust megnevezni, • a jelölése alapján a folyáshatár és szakadási nyúlás szerinti három nagyobb csoportban elhelyezni. Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak • • • • • • •
nagy szilárdságú acélok, növelt szilárdságú acélok, hidegalakításra szánt lapostermékek, folyáshatár, egyezményes folyáshatár (Rp0,2), szakadási nyúlás (A, A50, A80), szövetszerkezet, összetett fázisú acélok.
Bevezetés A gépjárművek szerkezeti elemeihez választott anyagok és technológiák fejlesztését elsősorban az a cél ösztönzi, hogy a gyártott jármű önsúlya csökkenjen, miközben a rendeltetés szempontjából lényeges anyagtulajdonságok csak kis mértékben változzanak. A legfontosabb szempont a felhasználónál jelentkező, költséghatékonyság (ennek egyik fontos eleme a jármű fogyasztása) és a mérsékelt környezetterhelés. Ezen kívül nem kihagyható szempont a jármű menettulajdonságainak javítása, valamint az, hogy napjainkban egyre több kiegészítő feladatot ellátó egységet (pl. biztonsági, kényelmi stb.) építenek a járművekbe, amelyek megnövelnék annak önsúlyát. A környezetterhelés és a költséghatékonyság nemcsak a felhasználó részére fontos, hanem figyelembe kell venni a
jármű teljes életciklusában, azaz a gyártástól a felhasználáson keresztül az újrahasznosításig. Ezeket a szempontokat figyelembe véve jellemezhetőek a fontosabb fejlesztési irányvonalak, amelyek újabb anyagokat hoztak vagy hoznak be a járműgyártásba. Az 1.1. ábra a fontosabb irányvonalakat mutatja, amelyről leolvasható az egyes anyagtípusokkal elérhető önsúlycsökkenés, a gyártási költségek változása és a súlycsökkentés költsége. A növelt szilárdságú acélok előnye láthatóan a gyártási költségek csökkenése terén jelentkezik, és a hibrid anyagpárosítások kedvező költségeiben is szerepet kap.
1.1. ábra. Irányvonalak a kocsiszekrénygyártás alapanyagaiban [1]. A növelt szilárdságú acélok fejlesztését főleg az indította el, hogy a járműiparban megjelentek a könnyűfémek. Az acélgyártók, félve attól, hogy csökken a részesedésük a járműipar teljesítményében, nagyobb energiát és figyelmet szántak a járműipari felhasználásra szánt szerkezeti anyagok fejlesztésére [2]. A növelt szilárdságú acélok típusai Tevékenység: A megfelelő irodalomból idézze fel, hogy milyen szilárdsági és alakváltozási jellemzők határozhatók meg szakítóvizsgálattal! Mit jelent, és hogyan határozható meg az ReH, Rp0,2, A50 vagy az A80? Tevékenység: A megfelelő irodalomból idézze fel, hogy mit jelent a fázis és a szövetelem fogalma! Melyek az acélok szövetelemei (ausztenit, ferrit, perlit, bénit, martenzit)? Az acélok bármelyik típusáról is van szó, a gyártás és a felhasználás szempontjából két fontosabb anyagtulajdonságot emelhetünk ki: a folyáshatárt és a szakadási nyúlást. Az említett kettő anyagtulajdonság szerint a típusok elhelyezhetők egy skálán, és ettől függ a felhasználásuk is, azaz a járműszekrény melyik elemének válasszuk az adott alapanyagot. A folyáshatár szerinti csoportba sorolást adja meg az 1.2. ábra, amelyben azonosíthatók a fontosabb acéltípusok is.
Tevékenység: Az 1.2. ábrán figyelje meg, hogy melyik szilárdsági csoportban milyen szövetszerkezetű acélok találhatók!
1.2. ábra. Gépjármű kocsiszekrényhez használt acéltípusok szilárdsági és szerkezeti jellemzői a három nagyobb szilárdsági csoportba sorolva [3 alapján] A hagyományos, növelt szilárdságú alapanyagok (HSS: High Strength Steels) közé tartoznak az alacsonyan ötvözött (HSLA: High Strength Low Alloyed), a lakkbeégetésre keményedő (BH: Bake Hardening), az izotróp (IS), a foszforötvözésű (P), illetve az intersztíciós szennyezőktől mentes (IF) acélminőségek. A korszerű, nagy szilárdságú acélok (AHSS: Advanced High Strength Steels) a legtöbb esetben többfázisú szövetszerkezettel rendelkeznek. A kettős fázisú (DP: Dual Phase) acélok ferrit és martenzites szerkezetűek, az összetett fázisú (CP: Complex Phase) minőségek három szövetelemet, ferritet, bainitet és martenzitet tartalmaznak, míg az átalakulás indukálta alakíthatósággal (TRIP: Transformation Induced Plasticity) jellemzhető minőségek jelentős mennyiségben tartalmaznak maradék ausztenitet, amely többlet alakíthatóságot kölcsönöz ennek a minőségnek. Itt érdemes megjegyezni, hogy az angol szóhasználatban fázist használ a szakmai nyelv, de itt valójában szövetelemekről van szó, amelyek között vannak homogén (pl. a ferrit egyben fázis is), valamint inhomogén (pl. a bénit egy kétfázisú szövetelem) szövetelemek. Az kiemelten nagy szilárdságú acélok (UHSS: Ultra High Strength Steels) lehetnek alacsonyan ötvözött minőségek (HSLA), illetve martenzites szövetszerkezetű minőségek (M). Természetesen a felhasználás és a gyártás szempontjából is fontos a folyáshatár, az előbbi a karosszériaelem szilárdsága, az utóbbi a megmunkálási erőszükséglet és a szerszámterhelés miatt, viszont nem lehet figyelmen kívül hagyni az alapanyag szakadási nyúlását sem. A szakadási nyúlás, mint mért jellemző utal az alapanyag alakíthatóságának mértékére, valamint szerepe van a beépített elem energia elnyelő képességében is, amely a
kocsiszekrény gyűrődő zónáiban az ütközés energiáját elnyeli. Ennek megfelelően az egyes acéltípusokat érdemes a folyáshatár és a szakadási nyúlás skálán elhelyezni (l. 3. ábra). Tevékenység: Az 1.3. ábrán figyelje meg, hogy az egyes acéltípusok milyen folyáshatár és szakadási nyúlás tartománnyal rendelkeznek. Az ábrát hasonlítsa össze a 1.2. ábra három nagyobb szilárdsági acélcsoportjával.
1.3. ábra. Az egyes acéltípusok elhelyezkedése az alsó folyáshatár és a szakadási nyúlás koordináta rendszerében [4 és 5 alapján]. Az alapanyag folyáshatára az első szempont, amely alapján a kocsiszekrény egyes elemeihez a megfelelő acélminőséget rendelik. A kiválasztás szempontjai között van az alakváltozó képesség, pl. egy gyűrődő elem esetében, de fontos szempont az alkalmazott kötéstechnológia és az alapanyag egymásra hatása is. Az alábbi ábra (1.4. ábra) az egyes acéltípusok jellemző alkalmazását mutatja a szerkezeti elem tervezett szilárdágának függvényében. Az ábrából például látható, hogy az utastérkeret merevségét a nagyobb szilárdságú alapanyagok választásával oldják meg, amelynek elsősorban balesetbiztonsági okai vannak. A burkoló elemek alapanyagait pedig a kisebb szilárdsági csoportból választják. Tevékenység: Az 1.4. és 1.5. ábrákat hasonlítsa össze a Függelékben, az F3. ábrákban található karosszéria építési elképzelésekkel! A karosszéria egyes elemeihez milyen szilárdsági tartományú alapanyagokat használnak? Melyek a hasonlóságok és a különbségek?
1.4. ábra. A járműkarosszéria egyes elemeinek tervezett szilárdsága alapján választhatóak ki az acéltípusok [2]. Az alábbi ábrán (1.5. ábra) pedig a tervezett szilárdságnak megfelelő acéltípusok választása látható. Ebben a tervezési irányvonalban is látható, hogy az utastérkeret merevségét adó acélfajták az AHSS vagy az UHSS szilárdsági csoportból kerülnek ki, míg a burkolóelemek a HSS csoportból.
1.5. ábra. A kocsiszekrényben alkalmazott acéltípusok és azok százalékos megoszlása az ULSAB-AVC (Ultra Light Steel Auto Body: különösen könnyű acél járműkarosszéria) irányvonal szerint [4].
Hidegalakításra szánt lapos termékek jelölése Az acélok alfanumerikus jelöléséről az MSZ EN 10027-1 szabvány rendelkezik. Az acélokat jelölésük szerint két osztályba sorolja. Az első osztály azokat tartalmazza, amelyeknél a felhasználó számára a felhasználási cél, valamint valamelyik fizikai, mechanikai tulajdonság garantálása a legfontosabb szempont. A másik osztályt azok az acélok alkotják, amelyek megnevezésekor a pontos vegyi összetétel a fontos szempont (l. 1.6. ábra).
1.6. ábra. Az MSZ EN acéljelölési rendszer felépítése [6 és 7 alapján] A hidegalakításra szánt lapos termékek jelölési rendszere az acélok felhasználása és mechanikai tulajdonsága alapján történik. Néhány példa látható acélok jelölésére a felhasználás és mechanikai, fizikai tulajdonság alapján az 1.1. táblázatban. 1.1. táblázat. Az acélok jelölése felhasználásuk és mechanikai, fizikai tulajdonságuk alapján [6 és 7 alapján] Acélcsoport
Főjel
Szerkezeti acélok
S
nnn
Gépacélok
E
nnn
Lapos termékek nagy szilárdságú acélból hidegalakításra
Lapos termékek hidegalakításra ahol n számokat jelent
H
D
Cnnn Dnnn Xnnn CTnnn(n) DTnnn(n) XTnnn(n) Cnn Dnn Xnn
Fő mechanikai tulajdonság legkisebb vastagságtartományra előírt legkisebb folyáshatár (MPa) mint előző C: hidegen hengerelt D: melegen hengerelt X: hengerlési állapot nincs előírva nnn: előírt folyáshatár (MPa) Tnnn: előírt szakítószilárdság (MPa) - hidegen hengerelt - melegen hengerelt - hengerlési állapot nincs előírva
A hidegalakításra szánt növelt szilárdságú lapos termékek jelölése a H betűvel kezdődő csoportba tartozik (pl.: HC400LA, l. 1.1. táblázat). A kiegészítő jelek 1. csoportja pedig: B: lakkbeégetésre keményíthető, C: összetett fázisú, I: izotróp, LA: alacsonyan ötvözött, T: TRIP, X: kétfázisú, Y: intersztíciós szennyezőktől mentes [6]. Tevékenység: Figyeljük meg a Függelék F1. és F2. táblázatában szereplő acélok jelöléseit! Hogyan olvasható ki az acéltípus a jelölésből? Melyik mechanikai tulajdonságra utal az acél jelölésében szereplő szám? Önellenőrző kérdések: Ö1. Kérdés: Melyik mechanikai tulajdonság alapján csoportosítjuk a korszerű növelt szilárdságú acélokat? Az acélok folyáshatára alapján. Ö2. Kérdés: Melyik a másik, az alapanyag alakíthatósága szempontjából, fontos mechanikai tulajdonság? A szakadási nyúlás. Ö3. Feladat: Milyen nagyobb szilárdsági csoportokat adnak meg a növelt szilárdságú acélok esetében? Közelítőleg adja meg ezek folyáshatárát! A növelt szilárdságú acélok (HSS): ~200–500 MPa-ig, az különösen nagy szilárdságú acélok (UHSS) ~600 MPa felett, és a két csoport közötti tartományban a korszerű, nagy szilárdságú acélok (AHSS) helyezkednek el. Ö4. Kérdés: Melyik acéltermék típust (félkész termék alakja és felhasználási cél szerint) használják fel a legnagyobb mennyiségben a gépjárművek gyártásában? A félkész termék alakja szerint a hidegen hengerelt lapos termékeket, a felhasználási cél szerint a hidegalakításra szánt acélokat. Ö5. Kérdés: Milyen szövetelemeket tartalmaznak a növelt szilárdságú acélok (HSS), és a többes fázisú acélok? A növelt szilárdságú acélok elsősorban ferrites acélok. A többes fázisú acélok ferritet, martenzitet, bénitet, és maradék ausztenitet tartalmaznak. Ö6. Kérdés: Milyen szilárdsági csoportba tartozó acélokat választana • a karosszéria burkoló elemeinek, • a karosszéria merevségét és teherviselő képességét befolyásoló elemeinek? A karosszéria burkoló elemeihez a lágyacélok és a növelt szilárdságú acélok csoportjából (HSS), a járműváz teherviselő elemeihez a korszerű nagy szilárdságú (AHSS) és az különösen nagy szilárdságú acélok (UHSS) csoportjából választanak alapanyagot. Ö7. Feladat: Melyik jelölési osztály szerint jelölik a hidegalakításra szánt lapos termékeket? Válassza ki a megfelelő választ! • Az acél vegyi összetétele szerint.
• Az acél felhasználási célja és fontosabb fizikai (jelen esetben mechanikai) tulajdonsága szerint. Ö8. Feladat: Értelmezze a HC260B acéljelölést! A H jelentése: hidegalakításra szánt nagy szilárdságú lapos termék, a C jelentése: hidegen hengerelt, a 260 a legkisebb előírt folyáshatár értéke, a B jelentése: BH-hatást mutató acél (Bake Hardening: lakkbeégetésre keményedő). Ö9. Feladat: Értelmezze a HCT780X acéljelölést! A H jelentése: hidegalakításra szánt nagy szilárdságú lapos termék, a C jelentése: hidegen hengerelt, a T780 a legkisebb előírt szakítószilárdság értéke, az X jelentése: kettős fázisú acél (DP: Dual Phase). Ö10. Feladat: Értelmezze az 1.2. ábrában található S600 acéljelölést! Az S jelentése: szerkezeti acél, a 600 a legkisebb előírt folyáshatár értéke. Felhasznált irodalom [1]
Hardy Mohrbacher: Niobium alloyed steel and iron materials for body panels, exhaust systems, chassis parts, powertrain components, előadás anyaga, Niobium Products Company GmbH, Araxá (MG), Brazil, 2007.
[2]
Martin Winterkorn: Werkstoffe im Automobilbau, előadás anyaga, Volkswagen AG Technische Universität Budapest, 28. September 2011
[3]
T. Kvačkaj et al.: Development of bake hardening effect by plastic deformation and annealing conditions, Metalurgija 45 (2006) 1, pp.: 51-55
[4]
ULSAB-AVC – PES Engineering Report, Materials and Processes, Oct. 2001.
[5]
F. Briand, O. Dubet, P. Lefebvre, G. Ballerini: Laser and Hybrid Welding of Ultra High Strength Steels, Oerlikon, Competence, No. 4 (May 2009) p.: 26.
[6]
Balla et al.: Járműszerkezeti anyagok és technológiák I., egyetemi tananyag, Typotex Kiadó (2011), www.tankonyvtar.hu
[7]
Szabadíts Ödön: Acélok, öntöttvasak, MSZT Szabványkiadó, Budapest (2005)
2. modul: A szilárdságnövelés hatáselvei Az ötvözeteknél számos eljárást alkalmaznak a szilárdság növelésére, de mindegyik visszavezethető néhány tiszta hatáselvre, mechanizmusra. A modul először bemutatja a szilárdságnövelés hatáselveit, amelyek minden ötvözetnél megtalálhatók. A további leckében rátér a korszerű, növelt szilárdságú acéloknál kihasznált hatáselvekre. Összefoglalót ad arról, hogy az acélok esetében milyen céljai vannak az egyes szilárdságnövelő eljárásoknak, és ezeket milyen technológiákkal, hogyan érik el.
2.1. lecke: A szilárdságnövelés hatáselvei ötvözeteknél Cél: A lecke célja, hogy az olvasó megismerje az ötvözeteknél általában működő, szilárdságot növelő hatáselveket. Ezzel képes lesz átlátni a később bemutatásra kerülő, a korszerű, növelt szilárdságú acéloknál alkalmazott technológiák okait, valamint az egyes acéltípusoknál működő hatáselveket is. Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes • megfogalmazni a fontosabb szilárdságot növelő hatáselvek lényegét, • bemutatni, hogy milyen atomi, rácsszerkezeti vagy mikroszerkezeti kölcsönhatások eredményezik a szilárdság növekedését.
szintű
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak • • • • • • • • • • • • • •
rácshibák: intersztíció, szubsztitúció, diszlokációk, diszlokáció sűrűség, fázis, szövetelem, szilárd oldat, korlátlan és korlátozott oldhatóság, oldott atomok okozta szilárdságnövekedés, alakítási keményedés, gyors hűtés okozta szilárdságnövekedés, kiválásos szilárdságnövekedés, diszperziós szilárdságnövekedés, szemcseszerkezet, szemcseméret, öregedés.
Bevezetés Tevékenység: A megfelelő irodalomból idézze fel, hogy mit jelent az ideális rács és a valós rácsszerkezet! Melyek a fontosabb rácshibák? A maradó alakváltozás egy kristályon belül a rácssíkok egymáshoz viszonyított elmozdulásával történik meg. Ez a csúszás lehet a teljes rácssík elmozdulása, de a diszlokációkat tartalmazó rács esetében főként a diszlokációk vándorlásával valósul meg. A két mechanizmushoz tartozó, a maradó alakváltozást eredményező kritikus csúsztató
feszültség jelentősen eltér egymástól, a diszlokáció megindításához szükséges kritikus csúsztató feszültség kisebb. A szilárdságnövelő mechanizmusok a maradó alakváltozást okozó kritikus csúsztatófeszültség megnövelését célozzák meg, vagy a teljes rácssík elmozdulására, de főként a diszlokációk mozgásának akadályozásán keresztül. Ideális, hibanélküli szerkezetben (ideális kristály) alapvetően a fő kötéstípusok határozzák meg a mechanikai jellemzőket is. Ezekre, mint az alapvető adottságra épülnek rá a szilárdságot módosító mechanizmusok, amelyek egyenként, vagy egymással kölcsönhatásban, együttesen eredményezik a szilárdság változását. Itt kötelességünk megemlíteni, hogy ugyan szilárdságnövelésről beszélünk, de például a vonalszerű hibákat, diszlokációkat tekintve a hibamentes kristályrács szilárdsága jóval meghaladja a valós, diszlokációval terhelt, reális rács szilárdságát, azaz a szilárdság a hibakoncentráció függvényében változik. Tehát szilárdságnövelő mechanizmusokról valamilyen szerkezeti állapottal jellemezhető minimum értékhez viszonyítva beszélhetünk. Ezek a mechanizmusok gyakran összemosódnak fogalmilag is, de fizikai tartalmukat illetően is. A világos megkülönböztetés céljából azonban az egyes jelenségeket itt különkülön ismertetjük. Az egyes mechanizmusok tárgyalásánál észrevehetjük, hogy a szilárdságot növelő hatások az anyagszerkezet különböző méretbeli szintjeihez is köthetők. Egyes hatások az atomi méret és a rácsszerkezet szintjéhez, pontosabban a rácshibákhoz kapcsolható. A többi hatás a szövetszerkezet módosításán keresztül fejti ki hatását. A szilárdsági jellemzők növekedését, azaz a szilárdságnövekedést (strenghtening) az angol irodalom gyakran „keményedés”-nek (hardening) is nevezi. Mivel a keménység növekedése valóban megfigyelhető minden esetben, ha a szerkezeti anyagnak pl. a folyáshatára vagy a szakítószilárdsága növekszik, így egyszerű, könnyen számszerűsíthető értékelési lehetőséget jelent a szilárdság növekedésének megítélésében. Oldott atomok okozta szilárdságnövekedés Tevékenység: A megfelelő irodalomból idézze fel, hogy mit jelent a szilárd oldat fogalma, mit jelent a korlátozott és korlátlan oldhatóság. A tiszta fémek szilárdsága növekszik az alapfém rácsában elhelyezkedő (oldódó) idegen atomok mennyiségével. Szemléletesen az alaprácsot torzító hatásukat említjük. Az alapfém rácspontján helyettesítéses (szubsztitúciós) vagy rácsközi (intersztíciós) helyzetben lévő idegen atom eltorzítja a rácsot. A feszültségtér, amelyet az idegen atomok létrehoznak, nemcsak mechanikai feszültségtérként értelmezhető. Az alapfém és az idegen atom között elektronegativitásban jelentkező különbség a rácsban, az idegen atom környezetében, megváltoztatja a helyi elektronsűrűséget és a helyi kötési erőket is. Az oldott atom környezetében, lokálisan kialakuló, az alapfém kötési energiájához képest nagyobb kötési energiák a maradó alakváltozást elindító kritikus csúsztatófeszültség növekedését eredményezik. Ebből látszik, hogy olyan komponensek okozzák ezt, amelyek korlátlan vagy korlátozott mértékben oldódnak az alapfémben, azaz szilárd oldatot képeznek. Mivel a
kristály maradó alakváltozását nagyrészt a diszlokációk mozgása eredményezi, a szilárdság növekedéséért az oldott atomok és a diszlokációk kölcsönhatása a felelős. Alakítási szilárdságnövekedés A diszlokációknak jelentős hatása van a fémkristály maradó alakváltozását megindító kritikus csúsztatófeszültségre, így a fémek rugalmassági határára. A hibátlan rácsú fémkristályok rugalmassági határa jelentősen csökken, ahogy a fémkristályban a térfogategységre eső diszlokációk száma növekszik. A diszlokációk jelenléte és mozgása megkönnyíti a fém maradó alakváltozását, de csak egy meghatározott diszlokációsűrűségig, amíg a diszlokációk nem akadályozzák egymás mozgását. Tehát adott fém esetén egy meghatározott diszlokációsűrűségnél (~104 db/mm2) a rugalmassági határnak minimuma van. Ennél nagyobb diszlokációsűrűségnél (pl. hidegen alakított fémeknél) a diszlokációk már akadályozzák egymás mozgását, amely a rugalmassági határ növekedésével jár [1]. A képlékeny alakváltozás a diszlokációk mozgásával és sokszorózódásával jár, így a képlékeny alakításkor bekövetkező keményedés szorosan összefügg a diszlokációk mozgásával, ill. sokszorozódásával. Maguk a diszlokációk már az olvadékból történő megszilárduláskor belekerülnek a megszilárdult fémekbe. Ezek száma tiszta fémek esetében a megszilárdulás sebességétől függ elsősorban. Lassú megszilárduláskor a diszlokációsűrűség kisebb (közel hibamentes egykristályok növesztése esetén a fémek szilárdsága az elméleti értékhez közeli), a kereskedelmi tisztaságú és nagymennyiségben előállított fémek viszont már öntött állapotban is tekintélyes mennyiségű (104/mm2 nagyságrendnyi) diszlokációt tartalmaznak. Ezek a diszlokációk külső feszültség hatására elmozdulnak. Legelőször a könnyű csúszási síkok mentén indul el az alakváltozás. Növekvő feszültség hatására azonban másodlagos csúszási síkok, keresztcsúszások, ezáltal „csúszási lépcsők” is megjelennek a feszültségnövekedés hatására. Gyakori jelenség, hogy a növekvő számú diszlokációk nem egyenletesen oszlanak el a fémben, hanem „cellákat” képeznek, amelyek úgy néznek ki, mint a megvastagodott szemcsehatárok. Nagy hőmérsékletről gyors hűtés okozta szilárdságnövekedés (quench hardening) Gyors hűtés okozta szilárdságnövekedésről (quench hardening) beszélnek, ha fémeket, ötvözeteket nagy hőmérsékletről gyorsan lehűtünk. Szerkezeti anyagokban ennek csak közvetett műszaki jelentősége van, mert a gyakorlatban a szilárdságnövelő folyamatokban azok fizikai mechanizmusában fellehető, mint részjelenség. Egyértelműen azonban csak a nagytisztaságú fémekben tanulmányozható, ha azokat nagy hőmérsékletről nagy sebességgel szobahőmérsékletre hűtjük. Ekkor vakanciák (rácsponton az atomok hiánya) fagynak be a tiszta fémben, vagyis az „egyensúlyi” vakanciakoncentráción felül vakanciatöbblet keletkezik. Ez okozza a keménység növekedését [2]. A többlet vakanciák keletkezése leginkább a folyáshatár, vagy az elektromos ellenállás növekedésében mutatható ki. A gyors hűtés okozta szilárdságnövekedés kategóriájába sorolják a nemegyensúlyi fázisok, és szövetelemek okozta keménységnövekedést is. Ilyenek az egyensúlyi átalakulástól eltérő mechanizmus szerint létrejött, korlátozott diffúzióval lezajló vagy diffúzió nélküli átalakulások. Acélok átalakulásaiból példaként említhető a bénites, illetve a diffúziómentes,
martenzites átalakulás, amelyek az egyensúlyi eutektoidos átalakulás (perlit szövetelem keletkezése) nemegyensúlyi módosulatainak tekinthetők. Az említett esetekben végbemenő átalakulási mechanizmusok teljesen eltérnek a tiszta fémeknél is előforduló „quench hardening”-től. Itt inkább a hatás technológiai megvalósítására utalnak. Szemcseméret csökkentése Petch és Cracknell mutatta ki, az alsó folyáshatár növekedését az átlagos szemcseátmérő csökkenésének hatására [3]. A hatást matematikai alakban a Hall—Petch-összefüggés írja le: − 12
σe =σ0 + k ⋅d , ahol σe a polikristályos anyag rugalmassági határa, σ0 az egy szemcséből álló anyag folyáshatára, k az anyagtól függő állandó, d pedig a szemcsék átlagos átmérője. A hatás oka a szemcsehatár szerkezetében keresendő. A diszlokációk könnyű mozgása egy meghatározott diszlokációsűrűség tartományában lehetséges, itt akadályozzák legkevésbé egymás mozgását. A szemcsehatárok két okból is akadályt jelentenek a diszlokációk számára. Az egyik, hogy a szemcsehatárok nagy diszlokációsűrűségű tartományokként jelennek meg. Ez különösen igaz az inkoherens szemcsehatárokra, de igaz a koherens és félkoherens szemcsehatárok nagy részére is. A másik ok, hogy a szemcsehatár túloldalán, azaz a másik szemcsében, nagy valószínűség szerint, a kristálytani orientáció a diszlokáció továbbhaladása szempontjából nem kedvező irányítottságú, azaz a diszlokáció nem tud átlépni a szomszédos kristályszemcsébe. Kiválás (precipitátum) és diszperz fázisok okozta szilárdságnövekedés Egy második fázis jelenléte az alapfémben, színfémben vagy szilárd oldatban, minden szilárdsági mérőszám növekedését eredményezheti. Ha a második fázis akadályozza a maradó alakváltozást okozó elemi alakváltozási folyamatokat, mint a kristálysíkok elemi csúszásai és diszlokációmozgások, akkor a hatás a szilárdsági mérőszámok növekedésében mérhető. Kiválási folyamat olyan rendszerben jöhet létre, amely korlátozott szilárd oldatot tartalmaz az alapfém oldalán, a vegyi összetétel a szobahőmérsékletű oldhatóságnál nagyobb, és az oldhatóság a hőmérséklettel csökken. Ilyenkor egy oldó hőkezeléssel az összes ötvöző vagy annak jelentős része szilárd oldatba vihető (hevítés a homogén egyfázisú szilárd oldat tartományba). Ekkor gyors hűtést alkalmazva egy nem egyensúlyi, túltelített szilárd oldat jön létre. A túltelített szilárd oldatot kisebb hőmérsékletre felhevítve (a diffúzió aktiválása) a rendszer elmozdul az egyensúlyi oldhatóság és az egyensúlyi fázisarány irányába, azaz a túltelített szilárd oldaton belül megindul a második fázis kiválása [4]. A második fázis keletkezését tekintve kiválás (precipitátum) vagy diszperz fázis is lehet. A kiválásos keményedéskor megjelenő második fázis az alapötvözetből, mint túltelített szilárd oldatból keletkezik, a diszperziós keményedésben ez nem szükségszerűen van így. A második, diszperz fázist pl. beolvasztással, mechanikai ötvözéssel, ötvözők szelektív oxidációjával stb. viszik bele az alapfémbe. (Itt érdemes megemlíteni a kettős fázisú, DP
acélokat, amelyek ferrit-martenzites szövetszerkezetűek. Ezt a kettős szövetképet az α-Fe és a nagyobb C-tartalmú γ-Fe ugyanazon hőkezelésre bekövetkező eltérő válasza eredményezi, hiszen csak a γ-Fe fázis alakul át martenzitté.) A kiválás és a diszperzió eltérő keletkezéséből következik a második fázis, és így a mechanikai tulajdonságok, termikus stabilitása is. A kiválással létrejött fázis a hőmérséklet növekedésével visszaoldódhat az alapfémbe, míg a diszperz fázis nagyobb hőmérsékleten is stabil maradhat. A második fázis nemcsak az alapfémre jellemző szilárdságot növeli meg, hanem a képlékeny alakítás okozta felkeményedés mértékét is megemeli. A képlékeny alakítás okozta felkeményedést a diszlokációk felhalmozódása okozza, amit felerősíthet a második fázis jelenléte. Ha a diszperz részecske nyíró szilárdsága nem haladja meg lényegesen a mátrixét, a tovahaladó diszlokáció elnyírhatja a precipitátumot, így ez nem okoz diszlokáció felhalmozódást. Ilyen jelenséget látunk a 2.1. ábrán, ahol a nyírási folyamat megtörtént. Ezért gyakori, hogy a koherens precipitátumok szilárdságnövelő hatása csekély, és a hőmérséklet növekedésével, az esetleges visszaoldódás miatt, meg is szűnhet. Ha a kiválások nyírószilárdsága nagy, (pl. nagy stabilitású intermetallikus vegyület, vagy oxid-diszperzió, akkor ez a továbbhaladását akadályozza, a tovahaladó diszlokációk két precipitátum között kihajlanak (2.2./b ábra), majd elszakadva hurkot képeznek a kiválások körül, egy részük pedig tovább halad, és részt vesz az elemi csúszási folyamatban (2.2./c ábra). Ez az ún. Orowan-mechanizmus. E folyamatban kritikus paraméter a diszperz szemcsék mérete és távolsága. Ez a felkeményedési mechanizmus érvényesül a nagy stabilitású (pl. oxid) diszperziók esetében. Az ilyen felkeményedési mechanizmus termikusan is stabil, a részecskék ugyanis nem oldódnak fel a hőmérséklet növelésének hatására, a diszlokációk mozgását gátló tényezők tehát fennmaradnak.
2.1. ábra Diszlokáció által elnyírt precipitátumok egy NiAl-alapú kiválásos ötvözetben [2]. 2.2. ábra Az Orowan-mechanizmusú diszperziós keményedés sémája [5]. Oldott atomok és diszlokációk kölcsönhatásából eredő szilárdságnövekedés Az eddigi, szilárdságnövekedést eredményező, tiszta hatásokból láttuk, hogy a rugalmassági határ a diszlokációk mozgásának akadályozásával növelhető. Az oldott atomok szilárdságot növelő hatásánál pedig említettük, hogy ebben kulcs szerepe lesz a diszlokációkkal létrejövő kölcsönhatásnak. Ez a kölcsönhatás kétféle módon jöhet létre. Az egyik kölcsönhatás szerint
az elmozduló diszlokáció kölcsönhatásba lép az oldott atomok által keltett feszültségtérrel, amely a diszlokáció mozgását megnehezíti (l. 2.3./a ábra). A másik hatásban a diffúzióképes intersztíciós atomok vesznek részt, amelyek a diszlokációk expandált zónáiba diffundálnak, és ezzel megnehezítik a diszlokációk elmozdulását (l. 2.3./b ábra).
a)
b)
2.3. ábra. Oldott atomok és diszlokációk kölcsönhatásai Intersztíciós atomok okozta öregedés Az öregedés fogalma alatt, a fémes rendszerekre alkalmazva, a nemzetközi irodalomban több szilárdságot növelő hatás eredményét értik. A több hatáselv ellenére abban egységes az öregedés fogalma, hogy a mechanikai tulajdonságok időbeli megváltozására használják. Általában elridegedést eredményez, amely a folyáshatár (Re) és a szakítószilárdság (Rm) emelkedésével jár, közben a folyáshatár közelít a szakítószilárdsághoz, azaz a szívós szakasz lerövidül. Ennek hatására a szakadási nyúlás és a kontrakció is lecsökken (l 2.4. ábra). A hatással egy időben az ütőmunka csökkenése is kimérhető. Tevékenység: Figyelje meg, hogy a 2.4. ábrán hogyan jelennek meg az öregedés hatására lezajló mechanikai tulajdonságváltozások!
2.4. ábra. Az öregedés egy megjelenési formája ötvözetek szakítódiagramjában, és a fontosabb mechanikai tulajdonságokban. A leírt elridegedést több hatás is okozhatja, pl. az intersztíciós atomok diffúziója a diszlokációk expandált zónájába. Az öregedésre hajlamos acéloknál ez tapasztalható a diffúzióképes karbon és nitrogén jelenléte miatt. A hatás csökkentése másodlagos minőségjavító eljárásokkal, mint pl. vákuum alatti frissítés vagy gáztalanítás, illetve az
intersztíciós szennyezők megkötésével lehetséges. Ilyen pl. a Ti, Nb, amely ötvözők vegyület formájában megkötik a diffúzióképes szennyezőket. A könnyűfémeknél az öregedés kifejezést a kiválásos folyamatra is használják, például a kiválások eldurvulása okozhat kedvezőtlen mechanikai tulajdonságváltozást. Az öregedés nem feltétlenül kedvezőtlen változásokat jelent a mechanikai tulajdonságokban. A mesterséges öregítésnek pontosan az a célja, hogy a tervezési célnak megfelelő optimumot találjuk meg a mechanikai tulajdonságok változásában, azaz pl. a folyáshatár növelése mellett a szakadási nyúlás is egy megfelelő értéken maradjon, ezzel elkerülve az ötvözet elridegedését. Mesterséges öregítésnek tekinthető a BH-hatás (lakkbeégetésre keményedő acélok hőkezelése), de a könnyűfémeknél a kiválásos keményítés is. Önellenőrző kérdések: Ö1. Feladat: Hogyan zajlik le a maradó alakváltozás a kristályszerkezet szintjén? Ezt figyelembe véve fogalmazza meg a maradó alakváltozással szembeni szilárdságnövelés célját! A maradó alakváltozás a rácssíkok egymáshoz viszonyított elmozdulása, amely lehet a teljes rácssík elmozdulása, de főként a diszlokációk vándorlásával valósul meg. A szilárdságnövelő mechanizmusok a maradó alakváltozást okozó kritikus csúsztatófeszültség megnövelését célozzák meg, vagy a teljes rácssík elmozdulására, de főként a diszlokációk mozgásának akadályozásán keresztül. Ö2. Feladat: Milyen szerkezeti szinteken érvényesülnek a szilárdságot növelő mechanizmusok? Válassza ki a megfelelő választ! • Csak az atomi és rácsszerkezet szintjén. • Csak a mikoszerkezet, azaz a szövetszerkezet szintjén. • Mindhárom szinten. Ö3. Feladat: Sorolja fel a fontosabb szilárdságnövelő mechanizmusokat! • • • • •
Oldott atomok okozta szilárdságnövelés, gyors hűtés okozta szilárdságnövelés, alakítási okozta szilárdságnövelés, kiválásos és diszperziós okozta szilárdságnövelés, szemcseméret csökkentése okozta szilárdságnövelés.
Ö4. Kérdés: Mi a hatáselve az oldott atomok okozta szilárdságnövekedésnek? Az oldott atomok torzítják a rácsot, valamint megváltoztatják helyileg a rácsban lévő atomok közötti kötés erősségét. Ezzel akadályozzák a rácssíkok elmozdulását és a diszlokációk mozgását. Ö5. Kérdés: Mi a hatáselve az alakítási szilárdságnövelésnek? A képlékeny alakítás megsokszorozza a diszlokációk számát, amelyek egy sűrűség felett akadályozzák egymás mozgását.
Ö6. Kérdés: Mi a hatáselve a gyors hűtés okozta szilárdságnövelésnek? Színfémeknél a rácshibák sűrűségét növeli meg. Ötvözeteknél is nő a rácshibák száma, de lényegesebb a nagyobb keménységű, nem egyensúlyi szövetelemek megjelenése, amelyeket a diszlokációk csak nagyobb csúsztatófeszültség hatására tudnak elnyírni. Ö7. Kérdés: Mi a hatáselve a kiválásos és a diszperziós szilárdságnövelésnek? Egy nagyobb keménységű és nyíró szilárdságú fázis jelenléte akadályozza a síkok csúszását és a diszlokációk mozgását. Ö8. Kérdés: Mi a hatáselve a szemcseszerkezet finomításán alapuló szilárdságnövelésnek? A szemcsehatárok akadályt jelentenek a diszlokációk számára, mert nagy diszlokációsűrűségű tartományokként jelennek meg, ill. a másik szemcsében, nagy valószínűség szerint, a kristálytani orientáció a diszlokáció továbbhaladása szempontjából nem kedvező irányítottságú. Ezért a nagyobb szemcsehatár sűrűség növeli a szilárdságot. Ö9. Feladat: Ismertesse az oldott atomok és a diszlokációk kölcsönhatásából eredő szilárdságnövekedés két fontosabb esetét! 1. A diszlokációk az oldott atomok feszültségterén nehezebben jutnak át. 2. Az oldott atomok a diszlokációk feszültségterébe diffundálnak, és így stabilizálják, „rögzítik” a diszlokációkat. Ö10. Feladat: Mit jelent a mechanikai tulajdonságok szempontjából az öregedés? Vázolja egy szakítódiagramon! Általában elridegedést eredményez, amely a folyáshatár (Re) és a szakítószilárdság (Rm) emelkedésével jár, közben a folyáshatár közelít a szakítószilárdsághoz, azaz a szívós szakasz lerövidül. Ennek hatására a szakadási nyúlás és a kontrakció is lecsökken. A hatással egy időben az ütőmunka csökkenése is kimérhető.
Felhasznált irodalom [1]
Verő J., Káldor M., Fémtan, Nemzeti Tankönyvkiadó (1996)
[2]
Lovas A. szerk.: Járműanyagok, egyetemi tananyag, Typotex Kiadó (2012), ww.tankonyvtar.hu
[3]
A. Cracknell, N.J. Petch: Acta Metallurgica, Volume 3, Issue 2, (March 1955) pp.: 186–189
[4]
Lovas A. szerk.: Anyagismeret, egyetemi tananyag, Typotex Kiadó (2011), ww.tankonyvtar.hu
[5]
R.W. Cahn, Physical Metallurgy, Second revised edition, North–Holland Publ. Company, Amsterdam London (1970)
2.2. lecke: Acélok szilárdságának növelése Cél: A lecke célja a hidegalakításra szánt korszerű, növelt szilárdságú acélok gyártási technológiája és a szilárdságnövelő hatáselvek közötti összefüggés bemutatása. A lecke ismerteti az említett acéloknál alkalmazott fontosabb ötvözőket és hengerlési eljárásokat, valamint bemutatja hatásukat a mechanikai tulajdonságokra és a szövetszerkezetre. Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes • felsorolni a növelt szilárdságú acélok esetében alkalmazott szilárdságnövelő hatáselveket, és értékelni tudja azokat a mechanikai tulajdonságukra és a szövetszerkezetre kifejtett hatásuk alapján, • felsorolni a hidegalakításra szánt, növelt szilárdságú acélok fontosabb ötvözőit, és azok hatását a mechanikai tulajdonságokra és a szövetszerkezetre, • bemutatni az acélok hengerlési eljárásait, kiemelve a termomechanikus hengerlést. Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak • • • • • • • •
ütőmunka, átmeneti hőmérséklet, acélok átalakulási hőmérsékletei (A1, A3), újrakristályosodás, újrakristályosodási határhőmérséklet, ötvözők, mikroötvözők, acélok hengerlése, termomechanikus hengerlés, szemcseméret, karbid és nitrid kiválások.
Acéloknál alkalmazott szilárdságnövelő hatáselvek és hatásuk az acélok mechanikai tulajdonságaira Tevékenység: Megfelelő irodalomból idézze fel, hogy mit jelent az ütőmunka vizsgálat, hogyan értelmezzük az átmeneti hőmérsékletet? A szerkezeti acélok körében a fent említett szilárdságnövelő mechanizmusok mindegyikét alkalmazzák, igaz a legtöbb esetben több mechanizmus együttesen, egymás hatását erősítve jelenik meg. Mégis érdemes a tiszta mechanizmusokat újra jellemezni a kifejtett hatásaik alapján. Az alábbi ábra (2.5. ábra) összefoglalja az acélok szilárdságnövelő mechanizmusait a hatásuk alapján. A szilárdsági mérőszámokat növelő hatásoknál mindig kulcskérdés, hogy az anyag ridegségét jellemző értékek, pl. szakadási nyúlás, kontrakció, ütőmunka, hogyan
változnak meg. Ezen felül a ridegségre a hőmérséklet csökkenése hogyan hat. Fontos jelzőszám ebben az esetben az átmeneti hőmérséklet, amely a szívós—rideg törési adja meg. Mérését a megfelelő tartomány átmenetének hőmérsékletét hőmérséklettartományban végzett ütőmunka vizsgálatokkal határozzák meg.
2.5. ábra Az acéloknál alkalmazott szilárdságnövelő mechanizmusok hatása az átmeneti hőmérsékletre [1, 2] Az egyes szilárdságnövelő mechanizmusok kedvező és/vagy kedvezőtlen hatása egyértelműen kirajzolódik. A karbontartalom növelése, az alakítási és a kiválásos keménység növelés mind növelik az átmeneti hőmérsékletet, azaz a szívós—rideg átmenet nagyobb hőmérsékletek felé tolódik el. Egyedül a szecseméret átlagos átmérőjének csökkentése eredményezi a folyáshatár növekedése mellett az átmeneti hőmérséklet csökkenését. Az acélok gyártásának folyamatában ezért nem elkerülhető a szemcseméret ellenőrzése és szabályozása. Az ábrában a szilárd oldatos szilárdságnövelés ugyan nem szerepel (pl. a foszforötvözés), de hasonlóan a többi mechanizmushoz, az ötvözők egy csoportja az acélok elridegedését eredményezi. Itt figyelembe kell venni, hogy az adott ötvöző a vas térközepes (α-Fe) vagy lapközepes (γ-Fe) módosulatát stabilizálja-e (l. [6, 7]. A karbontartalom növelése az Fe-C metastabil ötvözetrendszer heterogén szövetelemének (perlit) mennyiségét növeli meg. Az acélok szilárdságát növelő hatások között meg kell említeni a nem egyensúlyi szövetelemek okozta szilárdságnövekedést. A karbontartalom növekedése, az α-Fe karbonoldó képességén túl, egyensúlyi körülmények között, a perlit szövetelem mennyiségének növekedését eredményezi. Ez okozza a folyáshatár növekedését, mivel a perlit egy kemény fázist (vaskarbidot, azaz cementitet) is tartalmazó heterogén szövetelem. Az acélok nem egyensúlyi átalakulásaival, gyors hűtéssel, a szilárdság tovább növelhető, amely a perlitnél keményebb, nem egyensúlyi szövetelemeknek (bénit, martenzit) köszönhető. Ezt a hatást használják ki a többfázisú acélok gyártásánál.
A mikroötvözők hatása és a termomechanikus hengerlés Tevékenység: Megfelelő irodalomból idézze fel, hogy melyek az acélok fontosabb ötvözői, és hogyan módosítják az acélok tulajdonságait? Tevékenység: Megfelelő irodalomból idézze fel, hogy hogyan értelmezzük az átalakulási hőmérsékleteket (A1, A3)? Tevékenység: Megfelelő irodalomból idézze fel, hogy az ötvözők mely csoportja stabilizálja kisebb hőmérsékleten az ausztenitet (γ-Fe mezőt „nyitja”, az A3 hőmérsékletet lefele módosítja), mely csoportja inkább ferritképző (γ-Fe mezőt szűkíti, az A3 hőmérsékletet felfele módosítja)? Tevékenység: A megfelelő irodalom felhasználásával határozza meg, hogy mit jelent az újrakristályosodás! A melegen hengerelt ferrit-perlites acélok folyáshatára a lemezvastagságtól függően legfeljebb 550 MPa-ig növelhető [8]. Ennél nagyobb értékek elérése mikroötvözők alkalmazásával lehetséges, amelyek kiválások megjelenését és szemcsefinomítást tesznek lehetővé. A mikroötvözők alkalmazására épülnek a lemeztermékek melegen hengerlésének korszerű módozatai, és az is, hogy a gyártók a szemcseméret szabályozására újabb módot kaptak. A ma ismert korszerű képlékenyalakítási technológiáknak köszönhetően akár 5 µm-es szemcseméret is elérhető [8]. A szemcseméret csökkenésének hatása látható egy 0,10% Ctartalmú és 0,50% Mn-tartalmú acél szilárdsági jellemzőire az alábbi ábrán (l. 2.6. ábra).
2.6. ábra. Szilárdsági jellemzők szemcsenagyság függvényében [3, 8]. A FATT (Fracture Appearance Transition Temperature) az a hőmérséklet, ahol a tört felület 50-50%-ban rideg és szívós jelleget mutat (közelítőleg az ütőmunka-hőmérséklet görbe inflexiós pontját jelenti).
A mikroötvözők jellemzően két mechanizmuson keresztül fejtik ki hatásukat. Az alábbi ábrán (2.7. ábra) látható, hogy egyik részről jelentős a szemcseszerkezetet finomító hatásuk, másrészről a kiválások megjelenése is a szilárdság növekedését eredményezi. A különbség az egyes ötvözők hatásában egyrészről abban figyelhető meg, hogy milyen ötvözőarány eredményezi az azonos folyáshatárnövekményt. Más részről abban is különbség mutatkozik, hogy milyen arányban a szemcseméret finomításától, és milyen arányban a kiválások megjelenésétől várható a nagyobb, szilárdságot növelő hatás. A titán esetében az is látható, hogy a kiválások egy adott t.%-os vegyi összetétel felett jelennek meg. Mivel a szemcseszerkezet finomításának és a kiválások megjelenésének ellentétes a hatása az átmeneti hőmérsékletre, megkereshető az alkalmazásnak megfelelő optimum az ötvözők arányában. A Nb- és a Ti-ötvözésnél kezdetben nagyobb a szemcsefinomító hatás, és a kiválások csak nagyobb vegyi összetételnél veszik át a vezető szerepet a folyáshatárnövekményben. Ennek köszönhető, hogy az átmeneti hőmérséklet (az ábrán jelen esetben a 35J ütőmunkához tartozó hőmérséklet) változásának egy meghatározott összetételnél minimuma lesz. A korszerű acéloknál a mikroötvözők (Ti, V, Zr) közül jelentős szerepet tulajdonítanak a Nb-nak, mert kisebb arányban is ugyanazt a mértékű hatást lehet vele elérni, mint a többi ötvözővel.
2.7. ábra. A mikroötvözők hatásmechanizmusai, valamint hatásuk a folyáshatárra és az átmeneti hőmérsékletre [9]. A gyakorlati tapasztalatok alapján 380 MPa folyáshatárig elégséges a Nb ötvöző egyedüli alkalmazása. A további folyáshatár növeléshez, 550 MPa folyáshatárig, már Ti és V ötvözés szükséges (l. HSLA acélcsoport), viszont a három mikroötvöző együttes mennyiségét korlátozni kell a 2.7. ábrán is látható kedvezőtlen, ridegítő hatásuk miatt. Ennél nagyobb folyáshatár, már csak összetett fázisú szövetszerkezettel (bénitet és/vagy matrenzitet tartalmazó szövetszerkezet) érhető el, amely igényelhet további Mn- és Mo-ötvözést is.
Mivel a szilárdságot növelő mechanizmusoknak a szemcseméret csökkentés kivételével ridegítő hatása is van (l. 2.5. ábra), az acélok szemcseméretének szabályozása elkerülhetetlen a gyártási technológia folyamatában. A meleghengerlési folyamatban az előnyújtósori hengerléstől a készsori hengerlésig, majd a termék lehűléséig több ponton is szabályozható a szemcseméret. Az első fontos átalakulás a γ-Fe, azaz ausztenit tartományban lezajló újrakristályosodás. Az ausztenit újrakristályosodásának tartománya az újrakristályosodási határhőmérséklet (Tnr) felett van (l. 2.8. ábra). A termék hűlésével az átkristályosodás fontosabb lépései zajlanak le: az A3 hőmérséklet alatt a γ-Fe → α-Fe átalakulás, majd átlépve az A1 hőmérsékletet a maradék γ-Fe perlitté alakul át egy szűkebb hőmérsékletközben (0,022% C-tartalom feletti acélokban). A végtermék szemcsemérete miatt fontos, hogy az átkristályosodáskor (γ-Fe átalakulásai más szövetelemekké) a kiinduló γ-Fe, azaz ausztenit szövetelem szemcsemérete kellően finom legyen. A leggyakrabban alkalmazott mikroötvözők, mint a titán, vanádium, cirkónium és nióbium nagyobb hőmérsékleten is stabil karbidokat és karbonitrideket képeznek. Az átkristályosodáskor ezek a stabil vegyületfázisok, mint csíraképző központok, könnyítik a csírák képződését, így finomítva a keletkező szemcseszerkezetet. A mikroötvözők szemcseméretet csökkentő hatása a γ-Fe, azaz az ausztenit újrakristályosodási határhőmérsékletének megemelkedése révén is megvalósul (l.2.8. ábra), ugyanis a mikroötvözők stabil karbidjai az ausztenit tartományában akadályozzák az ausztenit szemcsehatárainak mozgását, azaz az újrakristályosodást.
2.8. ábra. Újrakristályosodási határhőmérséklet mikroötvözött acélok esetén [2, 4]. Önmagában a mikroötvözők acélhoz adása még nem elegendően hatékony eszköz a finom szemcseszerkezet eléréséhez, hanem a hengerlési technológiának az újrakristályosodási határhőmérséklethez igazítva lesz jelentős hatása. Ezt szemlélteti a következő ábra (l. 2.9. ábra), amely az előnyújtás után kialakuló ausztenit szemcseméretet mutatja az előnyújtás mértékének és annak hőmérséklete függvényében Nb-mal mikroötvözött acélminőség esetében.
2.9. ábra. Mikroötvözött acélban az előnyújtás utáni újrakristályosodás végén kialakult szemcseméret az előnyújtás mértéke és hőmérséklete függvényében [5]. Az ábrából látható, hogy bármelyik hőmérséklethez tartozó újrakristályosodási diagramnál megadható egy olyan kritikus előnyújtási tartomány, ahol a kiinduló szemcsemérethez képest szemcsedurvulás figyelhető meg. Ennél nagyobb mértékű előnyújtás esetében az újrakristályosodott ausztenit szemcseszerkezete finomodik. Az előnyújtás hőmérsékletével közeledve az újrakristályosodás határhőmérsékletéhez, a szemcsedurvulás tartományában a durvulás mértéke csökken, a szemcsefinomodás tartományában a finomodás mértéke nő. A korszerű hengerlési eljárások kidolgozására a mikroötvözők kedvező hatása adta a lehetőséget, mégpedig az, hogy a mikroötvözők emelik az ausztenit újrakristályosodásának hőmérsékletét. Ezen kívül hatással vannak a γ-Fe ↔ α-Fe átalakulás felső határhőmérsékletére (A3), pl. a Nb jelentősen csökkenti azt, stabilizálva az ausztenitet kisebb hőmérsékleten is. A hengerlési hőmérséklettartomány újrakristályosodási határhőmérséklethez viszonyított helyzete alapján megadhatók a hengerlési eljárások (l. 2.10. ábra). A hagyományos hengerlési eljárásnál az előhengerlés és a készsori hengerlés is az ausztenit tartományban, az újrakristályosodási hőmérséklet (Tnr) felett történik meg. A készsori hengerlés után az alakított ausztenit szemcsékben elindul az újrakristályosodás, majd az átalakulási hőmérsékleteken (A3 és A1) már egy újrakristályosodott ausztenitben megy végbe az átkristályosodás. Az így kapott szövetszerkezet normalizált szerkezet lesz. A termomechanikus hengerléskor a készsori hengerlést az ausztenit újrakristályosodási határhőmérséklete alatt végzik el (közel az A3 és A1 hőmérsékletekhez). Az átalakulási hőmérsékleteket egy alakított, nyújtott szemcseszerkezet éri el, és ebben indul meg az átkristályosodás. Ez eredményezi a jóval finomabb ferrites-perlites szövetszerkezetet. A hengerlés utáni kezelést még kiegészíthetik szabályozott hűtéssel is, amely az összetett fázisú acéltípusokra jellemző technológiai lépés. A késztermék finom szemcsézetének kialakulásában az is közrejátszik, hogy a kisebb hőmérsékleten (850–900 oC) végzett hengerlés túlhűtött ausztenitet eredményez. A jelenség oka, hogy a hengerlés kisebb hőmérsékleten nagyobb hengerlési nyomást igényel. A nagyobb nyomás stabilizálja az
ausztenitet az átalakulási hőmérsékletek alatt is. A hengerek közül kilépő anyagban az ausztenit jelentősen túlhűtött állapotban van, ezért a jelenlévő ausztenit átkristályosodása kis csíraméret mellett, sok kristálycsírán indul meg [10].
2.10. ábra. Hengerlési technológiák a hengerlés hőmérséklete és az ausztenit újrakristályosodási hőmérsékletének elhelyezkedése függvényében. Összefoglalva a mikroötvözők fontosabb hatásmechanizmusai a következők: • nagy affinitás az acélban oldott alkotókra, kiemelten a C és N, ezért nagyobb hőmérsékleten is stabil karbid és nitrid kiválások keletkeznek (NbC, NbCN, TiC, TiN, VC stb.) • a kiválások növelik a szilárdságot, • az oldott alkotók megkötésével öregedésállóvá teszik az acélt, • a nagyobb hőmérsékleten stabil kiválások akadályozzák az ausztenit szemcsehatárának mozgását, akadályozzák a szemcsedurvulási folyamatot, és az újrakristályosodást, • az újrakristályosodási határhőmérsékletet felemelik, • szemcsefinomító a hatásuk az újrakristályosodás akadályozása miatt, valamint a stabil kiválások az átkristályosodáskor csíraképző helyek lesznek, • az ausztenitben oldott formában módosítják az Ar3 hőmérsékletet, pl. a Nb csökkenti azt, késlelteti az ausztenit ferritté alakulását, így növeli az átedzhető szelvényátmérőt. Önellenőrző kérdések: Ö1. Feladat: Sorolja fel az acéloknál alkalmazott fontosabb szilárdságot növelő hatáselveket! Karbontartalom növelése, szilárd oldatos szilárdságnövelés, alakítási szilárdságnövelés, kiválásos keményítés, szemcseszerkezet finomítása, gyors hűtés okozta szilárdságnövelés. Ö2. Kérdés: Hogyan változtatják meg az acélok folyáshatárát és az átmeneti hőmérsékletüket az említett hatáselvek?
Mindegyik mechanizmus növeli a folyáshatárt. Egy kivételével mindegyik ridegíti az acélokat, azaz növeli az átmeneti hőmérsékletet. A szemcseméret csökkentése az egyetlen kivétel, amelyik az átmeneti hőmérsékletet csökkenti. Ö3. Kérdés: Melyek a fontosabb mikroötvözők a növelt szilárdságú acélok gyártásában? Milyen szilárdságnövelő mechanizmuson keresztül, és hogyan hatnak a mechanikai tulajdonságokra? A fontosabb mikroötvözők a Nb, Ti, V. Hatásaik: • az újrakristályosodási határhőmérsékletet felemelik, így szemcsefinomító a hatásuk, • stabil karbid és nitrid kiválásokat hoznak létre, amelyek növelik a szilárdságot, • az ausztenitben oldott formában módosítják az Ar3 hőmérsékletet, így növelik az edzhetőséget. Ö4. Kérdés: A mikroötvözők jelenléte, hogyan járul hozzá a szemcseszerkezet finomodásához? A mikroötvözők emelik az ausztenit újrakristályosodásának hőmérsékletét, akadályozzák az újrakristályosodást. Szemcsefinomító a hatásuk az újrakristályosodás akadályozása miatt, valamint a stabil kiválások az átkristályosodáskor csíraképző helyek lesznek. Ö5. Feladat: Írja le a normalizáló és a termomechanikus hengerlés során lezajló szövetszerkezeti átalakulásokat! A normalizáló hengerlés esetén az előhengerlés és a készsori hengerlés is az ausztenit tartományban, az újrakristályosodási hőmérséklet (Tnr) felett történik meg. A készsori hengerlés után az alakított ausztenit szemcsékben elindul az újrakristályosodás, majd az átalakulási hőmérsékleteken (A3 és A1) már egy újrakristályosodott ausztenitben megy végbe az átkristályosodás. A termomechanikus hengerlés során a készsori hengerlést az ausztenit újrakristályosodási határhőmérséklete alatt végzik el (közel az A3 és A1 hőmérsékletekhez). Az átalakulási hőmérsékleteket egy alakított, nyújtott szemcseszerkezet éri el, és ebben indul meg az átkristályosodás. Ez eredményezi a jóval finomabb ferrites-perlites szövetszerkezetet. Felhasznált irodalom: [1]
Hanák János: Szerkezeti acélok tulajdonságainak javítása mikroötvözéssel és a gyártási jellemzők tudatos változtatásával, Kandidátusi értekezés, Dunaújváros (1988)
[2]
Sziklavári János: Az acélokkal szemben támasztott követelmények fokozódása az igények kielégítésének technológiai vonatkozásai, Dunaferr Műszaki Gazdasági Közleményei 1994/1-2.
[3]
Horváth Ákos: A Dunai Vasmű korábbi kapcsolatai a volt hazai járműgyártással, és jövőbeni lehetőségei, ISD Dunaferr Műszaki Gazdasági Közleményei, LII. évfolyam 2. szám (173), 2014/2.
[4]
Cohen, Hansen: HSLA steels, Metallurgy and Applications, Proc. of Conf. in Peking (1985)
[5]
BKL, Kohászat
[6]
Lovas A. szerk.: Anyagismeret, egyetemi tananyag, Typotex Kiadó (2011), ww.tankonyvtar.hu
[7]
Balla et al.: Járműszerkezeti anyagok és technológiák I., egyetemi tananyag, Typotex Kiadó (2011), www.tankonyvtar.hu
[8]
Gulyás J, Horváth Á., Illés P., Farkas P.: Acélk hengerlése, elektronikus tananyag, Miskolci Egyetem (2013), www.tankonyvtar.hu
[9]
Hardy Mohrbacher: Niobium alloyed steel and iron materials for body panels, exhaust systems, chassis parts, powertrain components, előadás anyaga, Niobium Products Company GmbH, Araxá (MG), Brazil, 2007.
[10]
Komócsin Mihály: Anyagok hegeszthetősége, 5. fejezet Nagy szilárdságú acélok, (2013), www.tankonyvtar.hu
Modulzáró kérdések: M1. Kérdés: Melyek a rokon vonások és eltérések az egyes szilárdságot növelő hatásoknál? Rokon vonás, hogy mindegyik mechanizmus a maradó alakváltozást okozó kritikus csúsztató feszültséget növeli meg, főleg a diszlokációk mozgásának akadályozásával. Eltérés a szerkezeti szintben van. A szilárd oldatos szilárdságnövelésben a helyi atomi kötőerők módosulnak, valamint az oldott atomok és a diszlokációk helyi feszültségtere lép kölcsönhatásba. A képlékeny alakváltozás okozta szilárdságnövelés a diszlokációk sűrűségét növeli meg egy kritikus érték fölé. Mikroszerkezeti szinten akadályozzák a diszlokációk mozgását a fázis kiválások és diszperziók, a nem egyensúlyi szövetelemek (gyors hűtés), és a szemcsehatárok (szemcseméret csökkentése). M2. Kérdés: Milyen szilárdságnövelő mechanizmus alkalmazható színfémek esetében? Színfémek esetében az alakítási keményedés és a szemcseszerkezet finomítása jöhet szóba. M3. Kérdés: Milyen szilárdságnövelő mechanizmus alkalmazható szilárd oldatot képző ötvözetek esetében az oldhatósági határon belül és kívül? Az oldhatósági határon belül a szilárd oldatos szilárdságnövelés, az alakítási keményítés és a szemcseszerkezet finomítása ad lehetőséget. Az oldhatósági határon kívül bizonyos feltételek mellett a kiválásos keményítés és a nem egyensúlyi szövetelemek létrehozása is eredményezhet szilárdság növekedést, természetesen továbbra is megmarad a szemcseszerkezet finomítása és az alakítási keményedés is, mint lehetőség. M4. Kérdés: Milyen feltételei vannak a kiválásos szilárdságnövelésnek?
A szobahőmérsékleten érvényes oldhatósági határnál nagyobb vegyi összetétel, olyan második szilárd fázis jelenléte, amelyik nyírószilárdsága nagyobb az alap szövetelemeknél, a hőmérséklettel csökkenő oldhatóság. M5. Kérdés: Mi a különbség a kiválásos és a diszperziós szilárdságnövelés között? Hogyan hat ez a mechanikai tulajdonságok termikus stabilitására? A kiválásos keményedéskor megjelenő második fázis az alapötvözetből, mint túltelített szilárd oldatból keletkezik. A diszperziós keményedésben a második, diszperz fázist pl. beolvasztással, mechanikai ötvözéssel, ötvözők szelektív oxidációjával stb. viszik bele az alapfémbe. A kiválás és a diszperzió eltérő keletkezéséből következik a második fázis, és így a mechanikai tulajdonságok, termikus stabilitása is. A kiválással létrejött fázis a hőmérséklet növekedésével visszaoldódhat az alapfémbe, míg a diszperz fázis nagyobb hőmérsékleten is stabil maradhat. M6. Feladat: Fogalmazza meg, hogy miért fontos a szemcseméret szabályozása az acéltermékek hengerlése során! A szemcseméret csökkentése az egyedüli olyan szilárdságot növelő hatás, amely az elridegedés ellen hat. Ez az ütőmunka növekedésében és az átmenetei hőmérséklet csökkenésében nyilvánul meg. M7. Feladat: A 2.9. ábra felhasználásával fogalmazza meg, hogy hogyan kerülhető el az acélok szemcsedurvulása az ausztenites tartományban történő hengerléskor. 1. A hengerlési hőmérséklet megválasztása igazodjon az újrakristályosodási határhőmérséklethez, minél közelebbi hőmérsékleten zajlik a hengerlés az újrakristályosodás határhőmérsékletéhez, annál kevesebb idő áll rendelkezésre az újrakristályosodáshoz. 2. A kritikusnál nagyobb alakváltozást (szúrásonkénti fogyást) kell elérni a hengerléskor. M8. Feladat: A 2.7. ábra alapján indokolja, hogy miért írnak elő felső határértéket a mikroötvözők együttes mennyiségére? (Lásd a későbbi leckében pl. a HSLA acéloknál.) A kocsiszekrény szerkezeti elemeinél fontos a ridegség szabályozása. A 2.7. ábrán látható, hogy mindegyik mikroötvözőnél egy határérték feletti ötvözőmennyiség növeli az alapanyag átmeneti hőmérsékletét, azaz ridegíti az acélt. Az említett mikroötvözők együttesen is ezt a hatást erősítik.
3. modul: Hidegalakításra szánt acél lapos termékek minősítése Az olvasó megismerheti a hidegalakításra szánt acél lapostermékek legfontosabb alapanyag jellemzőit és azok jelenleg alkalmazott vizsgálati módszereit. A modul ismerteti az alakíthatóság fogalmát, és bemutatja az alakíthatósági határdiagramokat. Bemutatja azokat a fontosabb vizsgálati módszereket, amelyekkel az alakíthatósági határdiagramok meghatározhatók. Végül a lényegesebb technológiai vizsgálatok ismertetésére térünk rá.
3.1. lecke: Hidegen hengerelt, hidegalakításra szánt lapos termékek minősítése Cél: A lecke célja, hogy az olvasó értelmezni tudja a hidegen hengerelt, hidegalakításra szánt lapos termékek gyártói által megadott adatlapon feltüntetett legfontosabb mechanikai minősítő jellemzőket. Megismerje az alakíthatóság fogalmát, és az alakíthatósági határdiagramok értelmezését. A megadott adatok alapján minősíteni tudja az adott alapanyagot a felhasználás és az alakíthatóság szempontjából. Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes • felsorolni azokat a fontosabb mechanikai tulajdonságokat, amelyeket egy hidegen hengerelt, hidegalakításra szánt lapos termék minősítéséhez felhasználnak, • értelmezni tudja a képlékeny alakváltozási viszonyszámot (normális anizotrópia tényezőt) • értelmezni tudja a síkbeli anizotrópiát, • értelmezni tudja a keményedési kitevőt, • a gyártói adatlapon feltüntetett fontosabb minősítő jellemzőket értelmezni, • az r és az n értéke alapján (Lillet-diagram felhasználásával) egy alapanyagot az alakíthatóság szempontjából minősíteni, • értelmezni az alakíthatósági határdiagramok tartományait, alakváltozási utakat, • megadott feltételek esetén (folyáshatár, legnagyobb alakváltozások…) eldönteni, hogy a megadott alapanyaggal az adott alakítási művelet elvégezhető-e, vagy kiválasztani a megfelelő alapanyagot az adott alakítási művelethez. Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége. Kulcsfogalmak • • • • • • • • • •
folyáshatár, terhelt állapotban mért egyezményes folyáshatár, szakadási nyúlás, anizotrópia és izotrópia, normális anizotrópia tényező vagy képlékeny alakváltozási viszonyszám, síkbeli anizotrópia, logaritmikus alakváltozás, folyásgörbe, keményedési kitevő, Lillet-diagram,
• alakíthatósági határdiagram. Hidegen hengerelt, hidegalakításra szánt acél lapos termékek minősítése A lemezek vizsgálati eljárásainak és minősítésének egyik célja az alapanyag jellemzők meghatározása. Az alapanyag jellemzőket az általánosan alkalmazott anyagvizsgálati módszerekkel, mint pl. szakítóvizsgálat, keménységmérés, elemanalízis, metallográfia, stb. lehet lemezek esetében is vizsgálni. Ezen túlmenően a lemezekre kifejlesztett technológiai vizsgálatokat is el szoktak végezni, amely arra ad választ, hogy egy adott technológiára mennyire alkalmasak a lemezanyagok (pl. mélyhúzás, hajlítás, hegeszthetőség, stb.). Ez a fejezet csak a lemezanyagok alapvető mechanikai tulajdonságainak és az alakíthatóságuk megítéléséhez fontos jellemzők meghatározásának módszereit, eljárásait tárgyalja. A lemezalakítási technológiák szempontjából kiemelkedően fontos a lemez alapanyagok minősítése az alakíthatóságuk szempontjából is. Az alakíthatósági vizsgálatok célja lehet az általánosabb érvényű alakíthatóság megítélése, amely az alakíthatósági határdiagramokat adja meg, vagy a konkrét technológiát pontosabban modellező technológiai vizsgálat. Ennek megfelelően a lemezanyagok alakíthatósági vizsgálatai három csoportba sorolhatók: • egyszerű lemez szakítóvizsgálattal meghatározható jellemzők, amelyekkel jellemezhető egy alapanyag alakíthatósága (ebből származtatható a Lillet-féle diagram), • a technológiai folyamatokat minél pontosabban modellező, ún. technológiai alakíthatósági vizsgálatok (mint pl. az Erichsen-vizsgálat, csészehúzó vizsgálat), • általánosabb érvényű alakíthatósági vizsgálatok, az alakíthatósági határgörbék meghatározására (mint pl. Nakazima-vizsgálat) [1]. Hidegen hengerelt, lapos termékek anyagvizsgálata (szakítóvizsgálat) Tevékenység: A tananyag olvasása közben figyelje meg a Függelék F1. és F2. táblázataiban, hogy az egyes acélminőségek melyik mechanikai tulajdonságaihoz ad meg a szabvány határértékeket! A hidegen hengerelt lapostermékek anyagjellemzőit is, mint más előgyártmányok esetében, szakítóvizsgálattal lehet meghatározni. A szakítóvizsgálat végrehajtásának általános előírásairól a szakítóvizsgálat vizsgálati szabványa (MSZ EN ISO 6892-1:2010), míg egy meghatározott termékre vonatkozó előírásokról az aktuális termékszabványok rendelkeznek. A vizsgálati szabvány külön mellékletben ismerteti a 1–3 mm vastagságú finomlemezek, szalagok és más lapostermékek vizsgálatához használatos próbatesttípusokat. Ebben a vastagsági tartományban a szabvány javasolja a nem arányos próbatest alkalmazását 50 vagy 80 mm-es eredeti jeltávolság alkalmazásával. Ekkor a meghatározott szakadási nyúlás jelölései A50 vagy A80. A hidegen hengerelt lapostermékek szakítóvizsgálatakor, mivel a terméket hidegalakítással alakították késztermékké, és az alapanyag felkeményedett, a legtöbb esetben nem jelentkezik a felső és alsó folyáshatár (ReH és ReL). A szabvány ilyenkor a terhelt állapotban mért, nem arányos nyúláshoz tartozó, egyezményes folyáshatár
megadását írja elő, leggyakrabban a 0,2%-os nem arányos nyúláshoz (maradó alakváltozáshoz) tartozó egyezményes folyáshatárt, azaz az Rp0,2-t szokták meghatározni. A lapostermékek alakíthatóságára a képlékeny alakváltozási viszonyszám, más néven normális anizotrópia tényező (r) és a keményedési kitevő (n) ad jellemzést. Az alakváltozási viszonyszám jól jellemzi a hidegen hengerelt lemezek képlékenységi anizotrópiáját, amelyet Lankford vezetett be, neve után Lankford-számnak is említik. Külön szabvány rendelkezik a keményedési kitevő meghatározásáról szakítóvizsgálattal lemezek és szalagok esetében (MSZ EN ISO 10275:2014). A vizsgálatokat szabványos szakító próbatesten a homogén képlékeny alakváltozás tartományában kell elvégezni. A képlékeny alakváltozási viszonyszám a lemez szélességi, valamint a vastagsági irányú valódi, azaz logaritmikus alakváltozásából számítható (egytengelyű húzófeszültség mellett): ε r= b = εt
b b0 t ln t0
ln
,
ahol b a lemez próbatest szélességi, és t a vastagsági méretét jelöli (l. 3.1. ábra). A vizsgálatot az ε=20% alakváltozási mértékig kell elvégezni. Ha a vizsgált termék egyenletes nyúlása kisebb 20%-nál, akkor az ε=15–20%-os alakváltozási értékeket kell alkalmazni.
3.1. ábra. A képlékeny alakváltozási viszonyszám értelmezése. Mivel a vastagság irányú méretváltozás a szélességi és hosszúsági méretváltozáshoz képest egy nagyságrenddel is kisebb lehet, a térfogat-állandóság felhasználásával az anizotrópia tényezőt célszerű az b b0 r= b 0l0 ln bl ln
alakban felírni, ahol az l a hossz irányú méretet jelöli. Ez méréstechnika szempontjából is célszerű választás. A hidegen hengerelt lemezek esetében síkbeli anizotrópia is tapasztalható, amely azt jelenti, hogy a hengerlés irányával párhuzamosan és azzal szöget bezáróan kivett próbatestek mechanikai anyagjellemzői eltérést mutatnak (l. 3.2. ábra). Így a képlékeny alakváltozási viszonyszám (normális anizotrópia tényező) is irányfüggő. Noha síkbeli anizotrópiát
minden anyagjellemző mutat, az anizotrópia fogalmi értelmezése és elnevezése a szakirodalomban erre az anyagjellemzőre terjedt el és vált széles körben elfogadottá [2].
3.2. ábra. Az anizotrópia értelmezése. Az adott lemez jellemzésére a gyakorlatban az alakváltozási viszonyszám középértékét célszerű számolni, amely r + 2r45 + r90 r= 0 4
alakban adható meg. Ez azt is jelenti, hogy a hengerlés irányától függően (a hengerlés irányával 0°, 45° és 90°-os szöget bezáróan) három próbatest vizsgálatát kell elvégezni [1]. A síkbeli anizotrópiának (∆ ∆r) a középső r értéknek (r45) a két szélsőérték (r0, r90) átlagától való eltérését tekintik [3]: ∆r = r45 −
r0 + r90 r0 − 2r45 + r90 = 2 2
A keményedési kitevő a folyásgörbe közelítő egyenlete alapján határozható meg. A folyásgörbe a lemez egytengelyű feszültségi állapotban mért mindenkori folyáshatárának változása az alakváltozás függvényében (l. 3.3. ábra), amelynek közelítő egyenlete a σ = Kε n
vagy logaritmikus alakban a ln σ = ln K + n ⋅ ln ε ,
ahol σ a pillanatnyi valódi feszültség F erő hatására ( σ = ε a pillanatnyi valódi megnyúlás ( ε = ln kitevő.
l l0
Fl , S0 az eredeti keresztmetszet), l 0S0
), K a szilárdsági együttható és n a keményedési
3.3. ábra. A folyásgörbe. A keményedési kitevő középértéke pedig az n + 2n 45 + n 90 n= 0 4
képlettel adható meg [4]. A keményedési kitevőt a 10 és a 20% közötti egyenletes alakváltozási tartományon belül határozzák meg. Ha a termék egyenletes nyúlása nem éri el a 20%-ot, akkor a 15-20%-os felső határ alkalmazható.
Hidegen hengerelt lemezek alakíthatóságának jellemzése A kocsiszekrények gyártása jellemzően lemez félkészgyártmányok vagy lapostermékek (hidegen hengerelt szalag) feldolgozását jelenti, így a lemezalakítási technológiák (mélyhúzás, kivágás, hajlítás, stb.) fontos szerepet kapnak a gyártási műveleti sorban. Az anyagvizsgálatok, és az abból meghatározható anyagjellemzők, mint pl. a folyáshatár vagy a szakadási nyúlás, nem mindig jellemzi teljes körűen, hogy az alapanyag az adott technológiai műveletben hogyan viselkedik, hogyan alkalmazható. Lemezek esetében szükséges az alakíthatóság jellemzése is, hiszen a lemeztermékek anyagjellemzői irányfüggők (anizotróp anyagok).
Lemezek alakíthatósága (Lillet-diagram) A lemezek alakíthatóságának szempontjából a képlékeny alakváltozási viszonyszámra (r) elmondható, hogy a nagy r kis elvékonyodási hajlamra utal az alakítás alatt, míg a nagy ∆r nagyobb fülesedést okoz mélyhúzásnál. A jól mélyhúzható lemezek anyagára ezért elvárt a nagy r érték ( r >1) és a ∆r minél kisebb értéke. A keményedési kitevőre pedig megállapítható, hogy az n nagy értéke jobb alakíthatóságot enged meg, mivel a maradó alakváltozáson átesett lemezrész elvékonyodása a felkeményedése miatt elkerülhető. A nagy keményedési kitevő azt is jelenti, hogy a szakítódiagramban az Re/Rm arány jelentősen kisebb 1-nél, azaz a szakítódiagram szívós szakaszának hossza is nagyobb. A lemezek alakíthatóságának jellemzésre, és így különböző lemezek összehasonlító értékelésére a szakítóvizsgálattal meghatározott képlékeny alakváltozási viszonyszám (r) és a keményedési kitevő (n) alkalmas anyagjellemzők. Egy lemez alapanyag összetartozó r és n értékeit vizsgálva jellemezhető a lemez alakíthatósága, ezt adja meg a Lillet-diagram (3.4. ábra).
3.4. ábra. A lemezek alakíthatóságát jellemző Lillet-diagram [2]. A Lillet-diagramban az r és n határértékeit nézve megadhatóak az alakíthatósági tartományok: I. kiváló minőségű, komplex alakításra alkalmas lemezek (jól nyújtható és jól mélyhúzható lemezek), II. elsősorban mélyhúzásra alkalmas lemezek (kevésbé vékonyodnak), III. elsősorban nyújtásra szánt lemezek (jól nyúlnak), IV. gyengébb minőségű, hidegalakításra kevésbé alkalmas lemezek [2]. A határértékek megállapításánál figyelembe veszik az anyagjellemzők irányfüggését, azaz a lemez legkedvezőtlenebb irányában is megfelelő határértékeket kell garantálni. Ennek megfelelően javasolták az n > 0,21 és az r90> 1,4 értékeket [5] vagy újabban az r =1,5 és az n =0,21 értékeket [6] határként tekinteni. Az r90> 2 határérték is javasolható, ez utóbbi esetben ugyanis a legrosszabb irányban sem lesz az r értéke (és ezáltal r sem) kisebb, mint 1, ezért az anyag egyik irányban sem lesz hajlamos az elvékonyodásra.
Az alakíthatósági határdiagram Célja a lemeztermék minősítése, annak a biztonságos alakváltozási tartománynak a meghatározása, ahol a kívánt alakítási művelet káros mértékű elvékonyodás, illetve repedés keletkezése nélkül elvégezhető. A diagramból leolvasható, hogy a lemez síkjában milyen irányú és mértékű (több tengelyű, összetettebb) alakváltozások vezetnek helyi elvékonyodáshoz vagy repedéshez az alapanyagban. A tönkremenetlenek tehát egy sávot lehet megfeleltetni, amely előbb káros helyi elvékonyodás, majd a törés határállapotait mutatja meg (l. 3.6. ábra). Az ábrán megtalálhatóak a fontosabb alakváltozási utak is. A lemez egy pontjában az alakváltozási állapot egyértelműen megadható a fő alakváltozásokkal, amelyek a lemez síkjában keletkezett maximális és minimális alakváltozásokkal (ε1, ε2) azonosak. Az alakváltozási határgörbe a (ε1, ε2) koordinátarendszerben azokat a pontokat köti össze, ahol a tönkremenetel (helyi elvékonyodás vagy törés) határértékei találhatóak meg. Így az alakváltozási határdiagramban megadható az a tartomány, amely azokat a fő alakváltozásokat tartalmazza, amelyek még biztonságosnak tekinthetők. Ez a határgörbe alatti terület
fizikailag megvalósítható része. Az alakváltozási határgörbe elméleti úton vagy lemezmintán elvégzett kísérlettel meghatározható. Az alakítási kísérlet során egy lemezmintára célszerűen kör, esetleg négyszögletes alakú hálózatot visznek fel. Az alakítást, a vizsgálat típusától függően, egyszerű húzó vizsgálattal vagy különböző alakú nyomószerszámmal végzik el a tönkremenetel határállapotáig. A kör alakú jelek ellipszissé torzulnak, és az ellipszisek nagy és kistengelyét megmérve megadhatók a fő alakváltozások (l. 3.5. ábra).
ε 1 = ln
d1 d0
ε 2 = ln
,
d2 d0
3.5. ábra. A fő alakváltozások meghatározása.
3.6. ábra. Lemezalakításra érvényes alakítási határdiagram. Az alakváltozási diagrammok ma is használt alakja Keeler és Goodwin munkájához köthető. Az alakváltozási határdiagrammok az alkalmazott vizsgálati módszertől függően eltérhetnek egymástól [7]. Az alapanyagra vonatkozó alakítási határdiagram ismeretével megfelelően minősíthető egy alakítási folyamat. A megadott alakítási folyamatra (pl. egy mélyhúzó szerszámra) elvégezve az alakítási kísérletet, a kísérletben mért értékek a alakíthatósági határdiagramban egy ponthalmazként jelennek meg. Ezeket összevetve az adott alapanyagra érvényes alakíthatósági határdiagrammal, a minősítés megadható. A korszerű végeselemes módszerek is az alakíthatóság jellemzésére az alakíthatósági határdiagramokat alkalmazzák.
Önellenőrző kérdések: Ö1. Feladat: Sorolja fel a legfontosabb mechanikai tulajdonságokat, amelyekkel a hidegen hengerelt, hidegalakításra szánt lapos termékek minősíthetők! Folyáshatár (ReH vagy Rp0,2), szakítószilárdság, szakadási nyúlás (A50 vagy A80), képlékeny alakváltozási viszonyszám (r), keményedési kitevő.
Ö2. Kérdés: Milyen próbatestet javasol a szakítóvizsgálati szabvány az 1-3 mm vastagságú finomlemezek szakítóvizsgálatához? A nem arányos próbatest alkalmazását 50 vagy 80 mm-es eredeti jeltávolság alkalmazásával.
Ö3. Kérdés: Milyen esetben adják meg az alsó folyáshatár (ReH) helyett a terhelt állapotban mért egyezményes folyáshatárt? Ha a szakítódiagramban nem jelentkezik a felső és alsó folyáshatár (ReH és ReL).
Ö4. Kérdés: Mit jelent a képlékeny alakváltozási viszonyszám (normális anizotrópia tényező)? Hogyan határozható meg? A képlékeny alakváltozási viszonyszám a lemez szélességi (b), valamint a vastagsági (t) irányú valódi, azaz logaritmikus alakváltozásából számítható (egytengelyű húzófeszültség mellett). Az anizotrópia tényezőt az ε r= b = εt
b b ln b0 b0 vagy r = t b l ln ln 0 0 t0 bl
ln
alakban lehet felírni, ahol a l a lemez próbatest hossz irányú méretét jelöli. A vizsgálatot az ε=20% alakváltozási mértékig kell elvégezni. Ha a vizsgált termék egyenletes nyúlása kisebb 20%-nál, akkor az ε=15–20%-os alakváltozási értékeket kell alkalmazni.
Ö5. Feladat: A képlékeny alakváltozási viszonyszám definíciója alapján döntse el, hogy az alábbi állítások igazak vagy hamisak! Ha r értéke tart a 0-hoz, akkor a lemez próbatest elsősorban vékonyodik, és szélesség irányban kisebb a befűződés mértéke. (i) Ha r értéke nagy szám (pl. 1,6-nál is nagyobb érték), akkor a lemez próbatest szélességi befűződése kicsi, de a próbatest jól nyúlik. (h) Ha r értéke nagy szám (pl. 1,6-nál is nagyobb érték), akkor a lemez próbatest inkább nyúlik, mint vékonyodik, azaz a szélesség irányú befűződés is nagyobb. (i) Ha r értéke tart a 0-hoz, akkor a lemez próbatest kevésbé nyúlik, mint nagyobb r (pl. r=1,7) értékek esetén. (i)
Ö6. Kérdés: Mit jelent az anyagjellemzők síkbeli anizotrópiája?
Az anyagjellemzők irányfüggését jelenti, a hengerlés irányával párhuzamosan és azzal szöget bezáróan kivett próbatestek anyagjellemzői eltérést mutatnak.
Ö7. Feladat: A ∆r definíciója alapján döntse el, hogy az alábbi állítások igazak vagy hamisak! Ha a ∆r értéke a 0-tól nagyobb szám, akkor az anizotrópiára utal ugyan, de a munkadarab mélyhúzáskor nem fog fülesedni. (h) Ha a ∆r értéke tart a 0-hoz, akkor inkább izotróp lemezről beszélhetünk, és az ilyen lemez kevésbé hajlamos mélyhúzáskor a fülesedésre. (i) Ha a ∆r értéke a 0-tól nagyobb szám, akkor fennáll annak a veszélye, hogy mélyhúzáskor a munkadarab adott irány által meghatározott részein jobban elvékonyodik. (i)
Ö8. Kérdés: Mit jelent a keményedési kitevő? Hogyan határozható meg? A keményedési kitevő a folyásgörbe közelítő egyenlete alapján határozható meg. A folyásgörbe az egytengelyű feszültségi állapotban mért mindenkori folyáshatár változása az alakváltozás függvényében. Ennek közelítő egyenlete: σ = Kε n ,
ahol n a keményedési kitevő.
Ö9. Kérdés: Hogyan utal az alakíthatóságra a keményedési kitevő? Az n nagy értéke jobb alakíthatóságot enged meg, mivel a maradó alakváltozáson átesett lemezrész elvékonyodása a felkeményedése miatt elkerülhető.
Ö10. Feladat: Röviden írja le, hogy mit mutat meg a Lillet-féle diagram! Egy lemez alapanyag összetartozó r és n értékeit vizsgálva jellemezhető a lemez alakíthatósága, ezt adja meg a Lillet-diagram. A Lillet-diagramban az r és n határértékeit nézve megadhatóak az alakíthatósági tartományok.
Ö11. Feladat: Röviden írja le, hogy mit mutatnak meg az alakíthatósági határdiagramok! Az alakváltozási határgörbe a (ε1, ε2) koordinátarendszerben azokat a pontokat köti össze, ahol a tönkremenetel (helyi elvékonyodás vagy törés) határértékei találhatóak meg. Így az alakváltozási határdiagramban megadható az a tartomány, amely azokat a fő alakváltozásokat tartalmazza, amelyek még biztonságosnak tekinthetők.
Ö12. Kérdés: Egy alakítási műveletben a lemez egy meghatározott részén hogyan mérhetőek a fő alakváltozások? Az alakítási kísérlet során egy lemezmintára célszerűen kör, esetleg négyszögletes alakú hálózatot visznek fel. A kör alakú jelek ellipszissé torzulnak, és az ellipszisek nagy és kistengelyét megmérve megadhatók a fő alakváltozások: ε 1 = ln
alakban megadhatók.
d1 d0
és
ε 2 = ln
d2 d0
Felhasznált irodalom: [1]
Kovács Péter Zoltán: Alakítási határdiagramok elméleti és kísérleti elemzése, Ph.D. értekezés, Miskolci Egyetem (2012)
[2]
Tisza M., Kiss A., Gál G., Kovács P. Z., Lukács Zs.: A klasszikus lemezalakíthatósági vizsgálatok nagyszilárdságú lemezek minősítésénél, Multidiszciplináris Tudományok, 4. kötet (2014) 1. sz. pp. 39-48.
[3]
Ziaja Gy.: A finomlemezek technológiai vizsgálatának korszerű módszerei és eszközei, Anyagvizsgálók lapja, (1991/1), pp. 17-21.
[4]
Szabadíts Ödön: Acélok, öntöttvasak, MSZT Szabványkiadó, Budapest (2005)
[5]
Tóth J.: Hidegen hengerelt lemezek korszerű alakíthatósági jellemzőinek (r, n és T) vizsgálata, Bányászati és Kohászati Lapok, 109. évf. 4. sz. (1976), pp. 145-148.
[6]
Tóth T.: Hidegen hengerelt lágyacél lemezek szövetszerkezete, alakíthatósága, mechanikai tulajdonságai homogenitásának javítása, Gépgyártástechnológia, 36. évf., (1996), 1. sz., pp. 18-28.
[7]
Banabic, D., Bunge, J., Pöhlandt, K., Tekkaya, A. E.: Formability of metallic materials, Springer, Berlin (2000), ISBN 3-540-67906-5.
3.2. lecke: Hidegen hengerelt lemezek fontosabb technológiai vizsgálati módszerei Cél: A lecke célja, hogy az olvasó megismerje a finomlemezek fontosabb technológiai vizsgálati módszereit, tisztában legyen a vizsgálatok céljával, azaz melyek a kimeneti eredmények, és ezek hogyan hasznosíthatók az üzemi gyakorlatban.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes • • • •
egy gyártási technológiához a megfelelő vizsgálati módszert kiválasztani, a vizsgálati módszereket vázlatosan bemutatni, azok alkalmazhatóságának korlátait bemutatni, a vizsgálatok kimeneti eredményét , és annak gyakorlati használhatóságát bemutatni.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak • • • • • • • • • • • • • • • • • •
technológiai vizsgálatok, mélyhúzás, Erichsen-féle mélyítő vizsgálat, Erichsen-féle mélyítési érték (IE), csészehúzó vizsgálat, mélyhúzási viszonyszám, félgömb kupola vizsgálat, kupolamagasság, lyuktágító vizsgálat, lyuk tágíthatóság aránya, hajlító vizsgálat, legkisebb hajlítási sugár, alakíthatósági határdiagram, egytengelyű húzóvizsgálat, Keeler-féle nyújtó vizsgálat, Hecker-féle nyújtó vizsgálat, Nakazima- féle nyújtó vizsgálat, Hasek-féle nyújtó vizsgálat.
Technológiai vizsgálatok Ebben a fejezetben azokat az alakíthatósági technológiai vizsgálatokat mutatjuk be, amelyekkel a finomlemezek adott technológára való alkalmasságát minősíthetjük.
Erichsen-féle mélyítő vizsgálat (MSZ EN ISO 20482:2014) Az Erichsen-féle mélyítő vizsgálat kéttengelyű húzófeszültségi állapotban végzett nyújtó alakításokra jellemző vizsgálat. A vizsgálatot egy húzógyűrűből (2), leszorító gyűrűből (3) és egy félgömb alakú nyomófejből (4) álló szerszámban végzik el (l. 3.7. ábra). A vizsgálat menetében a nyomófejet a mereven befogott 90×90 mm méretű lemez próbatestbe (1) nyomják addig a mélységig, amíg az első repedések megjelennek. A repedés keletkezéséhez tartózó mélyítési érték lesz a vizsgálat minősítő száma, az ún. Erichsen-féle mélyítési érték (IE). A vizsgálat hátránya a rossz reprodukálhatóság és az eredménynek gyenge kapcsolata az anyag- és technológiai jellemzőkkel. Körültekintően végzett vizsgálatok esetében elmondható, hogy a vizsgálat eredménye összefüggésben van a keményedési kitevővel és a nyújthatósággal, valamint az eredmények reprodukálhatósága is megfelelő. A vizsgálat másik hátránya, hogy a sík alakváltozás tartományában (a kicsi nyomófejátmérő miatt) nem vizsgálható vele a lemezek alakíthatósága, noha a repedések nagy része az ipari technológiákban ebben a tartományban jön létre [1]. Elsősorban a lemezanyagok összehasonlító minősítésére alkalmas.
3.7. ábra. Az Erichsen-vizsgálat vázlata [2]. Félgömb kupola vizsgálat Az Erichsen-féle mélyítő vizsgálat hátrányai kiküszöbölésére fejlesztették ki a félgömb kupola tesztet. A leggyakrabban alkalmazott nyomófej átmérővel (dnyf) látható a 3.8. ábrán, de alkalmazzák 50,8 és 76,2 mm-es nyomófej átmérővel is (2, 3 és 4 in.). A szerszámban kialakítanak egy ráncgátlót, amely megakadályozza a lemez próbatest behúzódását a szerszámba, így a próbatest a húzófeszültség hatására egy nyújtó alakváltozást szenved. A nyomófej és a próbatest közé kenőanyagot juttatnak, amely az alakváltozási állapotot a
kéttengelyű húzás irányába viszi el. A vizsgálat jól reprodukálható eredmény ad. A vizsgálat minősítő száma a kupolamagasság, amely a maximális nyomóerőhöz (a befűződés kezdetének pillanatához) tartozó kupola magasságát jelenti. Kis karbontartalmú acélok esetében a kupolamagasság egyenes arányban változik a keményedési kitevővel [1]. A félgömb kupola vizsgálat egy módozata a „határ kupola magasság” vizsgálat (Limiting Dome Height, LDH), amikor a próbatest szélességét változtatják, a nyomófej átmérője marad a 101,6 mm átmérőjű. A lemezszélesség változtatásával változik az alakváltozási út, így a „kihúzható” kupolamagasság (LDH) is. A vizsgálat célja a legkisebb kihúzható kupolamagasság (LDH0) meghatározása, amely nagyon közel van a sík alakváltozási állapothoz. A kupolamagasságot (LDH) a próbatestszélesség függvényében ábrázolva a határ alakváltozási diagramhoz hasonló diagramot kapunk, amelyben megkapjuk a határ kupolamagasságot (LDH0). Az LDH0 összefüggésben van a határ alakváltozási diagram sík alakváltozási (ε1=0) alakíthatóságával, amely a mélyhúzási műveletekben legtöbbször a repedést okozó alakváltozási állapot. Az LDH0 értéke jó korrelációban van a Rockwellkwménységgel [1].
3.8. ábra. A félgömb kupola teszt vázlata és a határ kupolamagasság értelmezése [1, 3]. Csészehúzó vizsgálat (MSZ 5731) A mélyhúzást modellező vizsgálat, amelyet szintén egy húzógyűrűből (2), ráncgátló gyűrűből (3) és egy nyomófejből (1) álló szerszámban végeznek el (l. 3.9. ábra). A szerszámban különböző terítékátmérőjű lemezek mélyhúzását végzik el, miközben figyelik a mélyhúzáskor megjelenő hibákat, mint a fülesedés, ráncosodás és repedések megjelenése. A Swift-féle vizsgálat mérőszáma az adott lemezre jellemző mélyhúzási viszonyszám, amely a legnagyobb sikeresen húzott teríték átmérőből (Dmax) számolható:
β=
Dmax d nyf
ahol dnyf a nyomófej átmérője. Ez a viszonyszám közvetlenül használható a technológiai tervezés során.
dnyf = 33±0,05 mm rny(L) = 5 mm rny(A) = 12 mm rny(F) = 16,5 mm
3.9. ábra. A szabványos csészehúzó vizsgálat vázlata [4]. A Swift-féle csészehúzó vizsgálatot szabványosították. A szabványos csészehúzó vizsgálatban a terítéklemez mindkét oldalát kenőanyaggal be kell kenni, hogy a lemez próbatest minél kisebb súrlódással behúzódhasson a szerszámba. A vizsgálatban legfeljebb 3 mm vastagságú lemezek használhatók. A nyomófej alakja lehet lapos (L), átmeneti (A) és félgömb fejű. A vizsgálat során fokozatosan nagyobb D átmérőjű tárcsákat egyetlen műveletben csészévé húznak. A vizsgálat mérőszáma (IG) a még szakadás nélkül csészévé húzható legnagyobb tárcsa átmérője. A vizsgálat célja kétféle lehet: általános minősítés és egy ismert mélyhúzási művelet minősítése. Általános minősítés esetén a nyomófej alakját a lemezvastagság függvényében kell megválasztani, amelyről a szabvány rendelkezik. Ekkor két nyomófejjel meghatározott érték (IGL és IGF vagy IGA és IGF) együttesen jellemző az anyag mélyhúzhatóságára. Ismert mélyhúzási műveletre vonatkozó minősítés esetén az eredmény egyetlen IG érték, amelyhez a vizsgálatot azzal a nyomófejjel kell elvégezni, amelynek alakja a legjobban megközelíti a termék geometriai viszonyait [5]. A csészehúzó vizsgálattal meghatározható a lemezanyag anizotrópiáját is jellemző fülesedés mértéke. A fülesedés (f) számításához az IG értéket adó csészén meg kell mérni az áthúzott csésze peremén kialakult hullámhegyek (Hmax), ill. hullámvölgyek magasságait (Hmin) a csészefenék külső érintősíkjától mérve. Ekkor a fülesedés értéke:
f=
∑H
max
− ∑ H min
∑H
⋅ 100 (%).
min
Lyuktágító vizsgálat A lyuktágító vizsgálatban vizsgálható és minősíthető a lemezszél nyújthatósága vagy érzékenysége a berepedezésre nyújtó igénybevétel hatására. A vizsgálatot végzik lapos homlokfelületű, lekerekített nyomófejjel vagy kúp alakú nyomófejjel (ISO 16630) is. A próbatest egy D0 átmérőjű lyukat tartalmaz a nyomófej középvonalában. A nyomófej és a próbatest közé kenőanyagot tesznek.
3.10. ábra. Lyuktágító vizsgálat vázlata lapos homlokfelületű[1], illetve kúpos nyomófejjel. A vizsgálat addig tart, amíg egy jól látható repedés meg nem jelenik a lyuk szélén. Ekkor a lyuk tágíthatóságának aránya számítható, amely a vizsgálat minősítő száma is egyben: HE =
D f − D0 ⋅ 100 (%) D0
ahol D0 a lyuk eredeti átmérője és Df a repedés megjelenésekor mérhető átmérő. A lyuktágíthatóság aránya szoros kapcsolatban van olyan járműiparban alkalmazott technológiákkal, mint a peremezés. Az anyagjellemzők közül a lyuktágíthatóság korrelációban van az n·(1+r) értékkel is a Hill-elméletnek megfelelően [1].
Hajlító vizsgálat (MSZ EN ISO 7438:2006) A lemez alapanyagok szabványai vagy gyártói adatlapjai az élhajlítás műveletére vonatkozóan megadják a repedés megjelenése nélkül alkalmazható legkisebb hajlítási sugarat (megadott hajlítási szögnél) vagy egy adott hajlítási sugárhoz tartozó hajlásszöget. A vizsgálat menetében egy téglalap keresztmetszetű próbatestet egy adott átmérőjű vagy lekerekítési sugarú nyomótesttel egy meghatározott hajlítási szögig vagy a repedések megjelenéséig meghajlítják. A vizsgálatot végezhetik párhuzamos tengelyű támasztóhengerekkel és nyomóhengerrel, V (l. 3.11. ábra) vagy U alakú hajlítónyeregben nyomólapokkal, de kézi erővel, szorítólap és hajlítólap közé befogott próbatesten is.
3.11. ábra. Támasztóhengerekkel és V alakú hajlítónyeregben végzett hajlító vizsgálat. A vizsgálat termékre vonatkozó előírásait, mint pl. a próbavétel módját, próbatestek darabszámát stb. a termékszabványok tartalmazzák. Szintén a termék előírásától függ, hogy a meghajlítás mértéke mekkora legyen. Ennek megfelelően történhet: • egy megadott hajlítási szögig,
• az első repedés megjelenéséig a húzott oldalon, és a hozzá tartozó szög meghatározásával, • előhajlítás után a szárak párhuzamosságáig, • előhajlítás után a szárak érintkezéséig. A nyomótest átmérőjét (D) általában a lemezvastagsághoz (a) viszonyítva adják meg: D= n·a, ahol a n= 0,5…3 között változik. A legkisebb hajlítási sugár meghatározásához a lemez próbatestet adott hajlítási sugárral adott szögig hajlítanak. Ha nem jelent meg repedés a húzott oldalon, akkor a hajlítást egy újabb próbatesten kisebb hajlítási sugáron is elvégzik. Mindezt addig ismétlik, amíg a repedés megjelenik [1]. A lemeztermékek műszaki adatlapján a hengerléssel párhuzamos és az arra merőleges legkisebb hajlítási sugarat is meg szokták adni.
Alakíthatósági határdiagramok kísérleti meghatározása Mint az előző leckében láttuk, az alakíthatósági határdiagramok elég széles deformációtörténetet jellemző alakváltozási tartományt fednek le. A kísérleti meghatározási módszereknél az egyik legfontosabb követelmény, hogy a vizsgálatban megvalósítható alakváltozási utak a diagram minél nagyobb tartományát fedjék le. A vizsgálatok kifejlesztésénél arra is törekedtek, hogy az adott kísérleti módszerrel az iparilag alkalmazott technológiák legfontosabb alakváltozási utai (a kéttengelyű húzástól (ε1, ε2 > 0) a síkalakváltozáson (ε1 > 0, ε2 = 0) át a tiszta nyírásig (ε1 = - ε2) megvalósíthatóak legyenek [5]. Az alakíthatósági határdiagramok meghatározására több elven működő vizsgálati módszer terjedt el. A legegyszerűbb a lemez próbatest szakítóvizsgálata, amellyel a diagram negatív tartományát lehet egyszerűen meghatározni. Az alakíthatósági határdiagramok meghatározásának gyakran alkalmazott módszerei a nyomófejes vizsgálatok. Ezekkel a vizsgálatokkal mindegyik alakváltozási út megvalósítható, a kéttengelyű húzástól a tiszta nyírásig, a határ alakváltozási diagram pozitív és negatív oldala is meghatározható. A vizsgálatban az alakítási útvonal többféle módon is változtatható: egyrészt az alkalmazott próbatestek, másrészt a nyomófej alakjának módosításával, valamint a kenőanyag változtatásával. A nyomófejes módszerek hátránya, hogy a nyomófej érintkezésével a súrlódás is, mint tényező, belép a vizsgálatba.
Egytengelyű húzás (szakítóvizsgálat) Az egyik legegyszerűbb és leggyorsabb meghatározási módja az alakváltozási határdiagram bal oldali tartományának (ε2<0). A különböző alakváltozási utakat a próbatest alakjának változtatásával érik el, amelyek lehetnek bemetszés nélküli és eltérő sugarú bemetszett próbatestek (l. 3.12. ábra). A vizsgálat előnye az egyszerűen gyártható próbatest, a vizsgálat univerzális szakítógépen elvégezhető, valamint a vizsgálat után a próbatest sík marad, amely
leegyszerűsíti a vizsgálat után a jelhálózat mérését. A hátránya, hogy az alakváltozási határdiagram említett tartományát lehet csak meghatározni ezzel a módszerrel [5, 6].
3.12. ábra. Lemez próbatestek az alakváltozási határdiagram meghatározásához szakítóvizsgálattal [5]. A Keeler- és a Hecker-féle nyújtó vizsgálat A Keeler-féle vizsgálatban egy ráncgátló és egy húzógyűrű közé fogott lemez próbatestet gömb vagy elliptikus alakú bélyeggel alakítanak. A vizsgálat lényege, hogy különböző sugarú nyomófejek alkalmazásával változtatják a feszültségállapotot (l. 3.13. ábra), és így a megvalósítható alakváltozási utakat. A vizsgálatban a próbatestek alakja nem változik, amely az előkészítést leegyszerűsíti. A vizsgálat hátrányai, hogy az alakítási határdiagramnak csak a pozitív oldalát lehet vele meghatározni, valamint az alakítási határdiagram alakját és helyzetét befolyásolja a nyomófej sugara, és mindehhez nagy mennyiségű kísérleti munka szükséges [5, 7].
3.13. ábra. Keeler-vizsgálatban használt eltérő sugarú nyomófejek [8]. A vizsgálat egyik változata a Hecker-vizsgálat, ahol a nyomófej és a próbatest alakja is állandó. Az eltérő alakváltozási utakat az alkalmazott kenőanyag típusával és mennyiségével változtatják. Ebben az estben is csak az alakváltozási határdiagram pozitív oldalát lehet meghatározni [8].
A Nakazima- és a Hasek-féle nyújtó vizsgálat A vizsgálat elrendezése, a nyomófej alakja hasonló a félgömb kupola vizsgálathoz. A félgömb alakú nyomófej átmérője ebben az esetben 75 mm. A vizsgálat lényege, hogy különböző szélességű próbatesteket alakítva (3.14. ábra), illetve az alkalmazott kenőanyagot
is változtatva, az alakítási határdiagram pozitív és negatív tartományát is meg lehet határozni. A vizsgálat előnye a szerszám egyszerűsége és a próbatestek egyszerű alakja, valamint az, hogy a teljes alakváltozási határdiagram meghatározható vele. Hátránya, hogy a próbatest ráncosodhat, és a próbatest görbült felülete megnöveli az alakváltozott hálózat mérési hibáját. A ráncosodás kiküszöbölésére Hasek javasolt különböző próbatest alakokat (3.14. ábra)
r=0 /4 /5 /57,5 /65 /72,5 /80 mm Nakazima-próbatest
Hasek-próbatest
3.14. ábra. A próbatest kialakítása és méretei a Nakazima- és a Hasek-vizsgálathoz [8, 5 és 9]. Egyéb vizsgálati módszerek az alakíthatósági határgörbe meghatározására A nyomófejes vizsgálatok közé tartozik a Marciniak-vizsgálat. Lényege, hogy lapos homloklapú, lekerekített nyomófejjel egy közbetétet és a próbatestet együtt alakítják. A vizsgálatban a közbetét a nyomófej és a próbatest között helyezkedik el, amelyen előzőleg, a nyomófej tengelyében egy lyukat alakítanak ki. Az alakítás alatt a közbetét közepén a lyuk kitágul, és a súrlódó kapcsolat miatt a próbatest középső tartományában (a lyuk feletti részen) tiszta kéttengelyű húzás alakul ki. Így kéttengelyű alakváltozási utat lehet megvalósítani. A próbatest szakadása a csésze alján, még sík felületen következik be, amely a jelölő háló mérését könnyíti meg [10, 11]. Meg kell még említeni a hidraulikus domborító vizsgálatot, ahol az alakító hatást nyomófej helyett folyadéknyomás fejti ki. Ez az egyik legjobb módszer a kéttengelyű húzás és alakváltozási út megvalósítására.
Önellenőrző kérdések: Ö1. Kérdés: Milyen fontosabb részei vannak a nyomófejes lemezvizsgáló szerszámoknak? Legfontosabb részeik a nyomófej, húzógyűrű, leszorító gyűrű vagy ráncgátló.
Ö2. Feladat: Rajzon vázlatosan mutassa be az Erichsen-féle mélyítő vizsgálatot vagy a félgömb kupola vizsgálatot! Hogyan definiáljuk a vizsgálatok minősítő számát? A rajzon jelölje meg a vizsgálat(ok) minősítő eredményét. Lásd 3.7. vagy 3.8. ábra. A repedés keletkezéséhez tartózó mélyítési érték lesz az Erichsen-féle mélyítő vizsgálat minősítő száma, az ún. Erichsen-féle mélyítési érték (IE). A félgömb kupola vizsgálat minősítő száma az a kupolamagasság, amely a maximális nyomóerőhöz (a befűződés kezdetének pillanatához) tartozó kupola magasságát jelenti.
Ö3. Kérdés: A nyújtva húzó vizsgálatokban miért használnak leszorító gyűrűt? Azért, hogy a lemez behúzódását megakadályozzák, így kialakul a nyújtva húzó feszültségi állapot.
Ö4. Feladat: Vázlatosan rajzolja le a csészehúzó vizsgálatot! Mi lesz a minősítő száma a szabványosított csészehúzó vizsgálatnak? Lásd 3.9. ábra. A vizsgálat során fokozatosan nagyobb D átmérőjű tárcsákat egyetlen műveletben csészévé húznak. A vizsgálat mérőszáma (IG) a még szakadás nélkül csészévé húzható legnagyobb tárcsa átmérője.
Ö5 Feladat Mit jelent a fülesedés? Hogyan határozható meg? Mélyhúzás esetén, a munkadarab bizonyos irányokban (a lemez hengerlési irányával összhangban) jobban behúzódik a szerszámba. Egy hengeres csésze esetében ez a csészefal hullámszerű magasságváltozásában látható. A fülesedés (f) számításához meg kell mérni az áthúzott csésze peremén kialakult hullámhegyek (Hmax), ill. hullámvölgyek magasságait (Hmin) a csészefenék külső érintősíkjától mérve. Ekkor a fülesedés értéke:
f=
∑H
max
− ∑ H min
∑H
⋅ 100 (%).
min
Ö6. Kérdés: Hogyan számoljuk ki a lyuktágító vizsgálat minősítő számát? A lyuk tágíthatóságának aránya, amely a vizsgálat minősítő száma is egyben: HE =
D f − D0 ⋅ 100 (%) D0
ahol D0 a lyuk eredeti átmérője és Df a repedés megjelenésekor mérhető átmérő.
Ö7. Kérdés: Az élhajlításra vonatkozóan milyen adatokat adnak meg a gyártók egy alapanyagra? Általában a repedés megjelenése nélkül alkalmazható legkisebb hajlítási sugarat adják meg (megadott hajlítási szögnél) vagy egy adott hajlítási sugárhoz tartozó hajlásszöget.
Ö8. Kérdés: Az alakváltozási határdiagramok melyik része határozható meg egytengelyű húzóvizsgálattal?
Egytengelyű húzóvizsgálattal az alakváltozási határdiagram negatív oldala határozható meg.
Ö9. Kérdés: A Keeler-féle nyújtó vizsgálatban hogyan változtatják az alakváltozási utakat? Különböző sugarú nyomófejek alkalmazásával változtatják a megvalósítható alakváltozási utakat.
Ö10. Kérdés: Mi a Nakazima-vizsgálat lényege? A vizsgálat elrendezése, a nyomófej alakja hasonló a félgömb kupola vizsgálathoz. A félgömb alakú nyomófej átmérője ebben az esetben 75 mm. A vizsgálat lényege, hogy különböző szélességű próbatesteket alakítva, illetve az alkalmazott kenőanyagot is változtatva, az alakítási határdiagram pozitív és negatív tartományát is meg lehet határozni.
Felhasznált irodalom: [1]
Henry Ericsson Theis: Handbook of Metalforming Processes, CRC Press (1999), ISBN 082479317X
[2]
Prohászka János: A fémek és ötvözetek mechanikai tulajdonságai, Műegyetemi Kiadó (2001)
[3]
MF Shi, D. Meuleman, In: Autobody Stamping Applications and Analysis: SP-897. Warrendale, PA:SAE (1993), pp. 77-86.
[4]
Tisza, M. et. al.: Anyagvizsgálat, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc (2001), ISBN 963 661 452 0
[5]
Kovács Péter Zoltán: Alakítási határdiagramok elméleti és kísérleti elemzése, Ph.D. értekezés, Miskolci Egyetem (2012)
[6]
Brozzo, P., De Lucca, B., Rendina, R.: A new method for the prediction of the formability limits of metal sheets, Proceedings of 7th Biennial IDDRG Congress, Amsterdam (1972)
[7]
Keeler, S. P.: Determination of forming limits in automotive stampings, Society of Automotive Engineers, No. 650535. (1965)
[8]
Banabic, D., Bunge, J., Pöhlandt, K., Tekkaya, A. E.: Formability of metallic materials, Springer, Berlin (2000), ISBN 3-540-67906-5
[9]
Nakazima, K., Kikuma, T., Asuka, K.: Study on the formability of steel sheet, Yawata Technical Report, No. 264. (1968)
[10] Marciniak, Z. and Kuczyński, K.: Limit strains in the process of stretch- forming sheet metal. Int. J. Mech. Sci. 9:609_620. (1967) [11] Raghavan, K.: A simple technique to generate in-plane forming limit curves and selected applications, Met. and Mat. Transactions, 26A:2075_2084. (1995)
Kapcsolódó szabványok: MSZ EN ISO 10113:2014: Fémek. Lemezek és szalagok. A képlékeny alakváltozási viszonyszám meghatározása (ISO 10113:2006)
MSZ EN ISO 10275:2014: Fémek. Lemezek és szalagok. A keményedési kitevő meghatározása szakítóvizsgálattal (ISO 10275:2007) MSZ EN ISO 12004-1:2009: Fémek. Lemez és szalag. Az alakváltozás határgörbéinek meghatározása. 1. rész: Az alakváltozási határgörbe-diagramok mérése és alkalmazása a sajtolóüzemben (ISO 12004-1:2008) MSZ EN ISO 12004-2:2009: Fémek. Lemez és szalag. Az alakváltozás határgörbéinek meghatározása. 2. rész: Az alakváltozási határgörbék meghatározása laboratóriumban (ISO 12004-2:2008)
Modulzáró kérdések: M1. Feladat: A Lillet-féle diagram felhasználásával jellemezze alakíthatóság szempontjából a HC180Y acélminőséget! (Az adatok megtalálhatók az F1. táblázatban.) Az említett minőségre előírt határértékek: rmin=1.7 és nmin=0.19. Ennek megfelelően az említett acélminőségek a Lillet-féle diagram I. és II. tartományát fedik le: I. kiváló minőségű, komplex alakításra alkalmas lemezek (jól nyújtható és jól mélyhúzható lemezek), II. elsősorban mélyhúzásra alkalmas lemezek (kevésbé vékonyodnak).
M2. Feladat: A Lillet-féle diagram felhasználásával jellemezze alakíthatóság szempontjából a HC220I acélminőséget! (Az adatok megtalálhatók az F1. táblázatban.) Az említett minőségre előírt határértékek: rmax=1.4 és nmin=0.18. Ennek megfelelően az említett acélminőségek nagyrészt a Lillet-féle diagram III. tartományát fedik le, azaz elsősorban nyújtásra szánt lemezeket fednek le.
M3. Kérdés: Melyik vizsgálat modellezi legjobban a mélyhúzás műveletét? Milyen technológiai paraméter meghatározására ad lehetőséget ez a vizsgálat? A csészehúzó vizsgálat. A mélyhúzási viszonyszám meghatározására ad lehetőséget, amely a legnagyobb sikeresen húzott teríték átmérőből (Dmax) számolható:
β=
Dmax d nyf
ahol dnyf a nyomófej átmérője.
M4. Kérdés: Milyen technológiai vizsgálatok modellezik legjobban a nyújtva húzást? Melyek a legfontosabb különbségek, és mi ezek oka (hátrányok és előnyök)? Az Erichsen-féle nyújtó vizsgálat és a félgömb kupola vizsgálat. A félgömb kupola vizsgálatnál a nyomófej átmérője nagyobb, valamint a nyomófej és a próbatest közé kenőanyagot tesznek. Ennek oka, hogy az Erichsen-vizsgálatnak rossz a reprodukálhatósága és az eredménynek gyenge a kapcsolata az anyag- és technológiai jellemzőkkel, valamint a sík alakváltozás tartományában (a kicsi nyomófejátmérő miatt) nem vizsgálható vele a lemezek alakíthatósága. A félgömb kupola vizsgálat jól reprodukálható és kis karbontartalmú acélok esetében a kupolamagasság egyenes arányban változik a
keményedési kitevővel. A próbatest szélességét változtatva és a hozzá tartozó kupolamagasságot mérve meghatározható egy minimum érték, amelyet a határ kupolamagasságnak hívunk. Ez a sík alakváltozáshoz közeli alakíthatósággal van kapcsolatban.
M5. Kérdés: Melyik vizsgálati módszerrel vizsgálna különböző alapanyagokat, ha a lemezszél berepedezésére való hajlamukat kellene minősítenie? Mi lesz a minősítő szám, és hogyan lehet kiszámolni? Erre az egyik legalkalmasabb vizsgálat a lyuktágító vizsgálat. A vizsgálat során egy lemezmintán kialakított lyuk tágítását végzik el, addig az átmérőig, amíg egy jól látható repedés meg nem jelenik. Ekkor a lyuk tágíthatóságának aránya számítható, amely a vizsgálat minősítő száma is egyben: HE =
D f − D0 ⋅ 100 (%) D0
ahol D0 a lyuk eredeti átmérője és Df a repedés megjelenésekor mérhető átmérő.
M6. Kérdés: Élhajlítási művelethez milyen vizsgálati módszerrel minősítene lemez alapanyagokat? Milyen módszereket alkalmazhat (a minősítő számok szempontjából), és milyen minősítő számokat adnak meg ezek a módszerek? Hajlító vizsgálatokkal, amelyeket célszerű a hengerelés irányára és arra merőlegesen is elvégezni. A próbatestet egy adott átmérőjű vagy lekerekítési sugarú nyomótesttel egy meghatározott hajlítási szögig vagy a repedések megjelenéséig meghajlítják. Ennek megfelelően történhet: • egy megadott hajlítási szögig, • az első repedés megjelenéséig a húzott oldalon, és a hozzá tartozó szög meghatározásával, • előhajlítás után a szárak párhuzamosságáig, • előhajlítás után a szárak érintkezéséig. Ennek megfelelően a minősítő szám a legkisebb hajlítási sugár vagy a hajlítási szög lehet.
M7. Feladat: Egy alakítási műveletben az alkatrész egy részén a következő maximális alakváltozás várható: ε1= 0,35 és ε2= 0,2 Az F1. ábra felhasználásával döntse el, hogy a HC220B jelű alapanyag az alakítás során az alkatrész említett részén megrepedhet-e! A megjelölt pont a HC220B alapanyag alakíthatósági határdiagramja alatt található, azaz az alkatrész adott részén nem keletkezik repedés az alakítás során. (Ez nem jelenti azt, hogy más részeken, más alakváltozási utak esetén nem keletkezhet repedés.)
M8. Feladat: Egy alkatrész mélyhúzási műveletében az előzetes kísérletek kimutatták, hogy az alkatrész egy részén sík alakváltozásban az alakváltozás mértéke elérheti a 0,2-t. Az F1. ábra felhasználásával döntse el, hogy a HC340LA jelű alapanyag az alakítás során az alkatrész említett részén megrepedhet-e!
Sík alakváltozás esetén ε1= 0. Tehát az ε1= 0 és ε2= 0,2 pontot kell néznünk a megfelelő alapanyag alakváltozási határdiagramjában. A HC340LA alapanyag alakíthatósága sík alakváltozás esetén kisebb mint 0,2, tehát az alakításban a munkadarab megrepedhet.
M9. Feladat: Egy alkatrész mélyhúzási műveletében az előzetes kísérletek kimutatták, hogy az alkatrész egy részén sík alakváltozásban az alakváltozás mértéke eléri a 0,25-öt. Az alapanyagra előírt folyáshatár mindezek mellett nem lehet kisebb, mint 260 MPa, és a szakadási nyúlás minimális értéke 30% legyen (80 mm-es eredeti jeltávolságra vonatkoztatva). Az F1. és F2. ábrák felhasználásával adja meg azt az anyagminőséget, amellyel az adott alakítás elvégezhető! Sík alakváltozás esetén ε1= 0. Tehát az ε1= 0 és ε2= 0,25 pontot kell néznünk a megfelelő alapanyag alakváltozási határdiagramjában. Ennek megfelelően az F1. ábrák alapanyagai közül, figyelembe véve a minimum 260 Mpa-os folyáshatárt, csak a HC260I jöhet szóba. Az F2. ábrák alapanyagai közül szóba jöhet a HCT450X és esetleg a HCT690T. Az utóbbi két anyagnál viszont ellenőrizni kell az F2. táblázatban az előírt minimális folyáshatár értékét, mert ezekben az anyagjelölésekben nem a folyáshatár, hanem a szakítószilárdság szerepel. A táblázat alapján a HCT450X legkisebb előírt folyáshatára 260 MPa, míg a HCT690T alapanyagé 430 MPa. Tehát mindkét alapanyag teljesíti a folyáshatárra előírt minimum értéket. Így három alapanyagot kell ellenőriznünk a minimális szakadási nyúlás (A80) értékére az F1. és F2. táblázatból. A HC260I teljesíti a szakadási nyúlás minimális értékét, míg a másik két anyagra előírt minimális szakadási nyúlás 30% alatt van. Tehát az említett alapanyagok közül csak a HC260I alapanyag felel meg a kritériumoknak.
M10. Feladat: Egy lemezalakítási művelet végeselemes elemezése kimutatta, hogy az alkatrész egy részén kéttengelyű húzás valósul meg, amelyben az alakváltozás mértéke akár 0,35 is lehet, míg az alkatrész más részén sík alakváltozás történik, amely mértéke eléri a 0,24-et. Az F1. és F2. ábrákon szereplő alapanyagok közül válasszuk ki azt az anyagminőséget, amellyel az alakítás elvégezhető, ha az alapanyag folyáshatára nem lehet kisebb, mint 400MPa. Kéttengelyű húzás esetén ε1= ε2. Tehát egyrészről az ε1= 0,35 és ε2= 0,35 pontot kell néznünk a megfelelő alapanyag alakváltozási határdiagramjában. Sík alakváltozás esetén ε1= 0. Tehát az ε1= 0 és ε2= 0,24 pontot is néznünk kell a megfelelő alapanyag alakváltozási határdiagramjában. A két ábra alapanyagai közül a 400 MPa-os legkisebb folyáshatárt figyelembe véve csak a többfázisú anyagok jöhetnek szóba, közülük is a HCT450X és a HCT690T, ha a sík alakváltozás (ε1= 0 és ε2= 0,24) értékét is számításba vesszük. Mindkét alapanyag kéttengelyű húzás esetén elvisel 0,35-ös alakváltozást. A folyáshatárokat viszont ellenőrizni kell az F2. táblázat alapján. Ebből kiderül, hogy a HCT450X legnagyobb előírt folyáshatára is kisebb, mint a feladatban szereplő előírt legkisebb érték, de a HCT690T ezt a kritériumot is kielégíti.
4. modul: Hidegalakításra szánt növelt szilárdságú acélok típusai A modulban bemutatásra kerülnek a fontosabb, hidegalakításra szánt növelt szilárdságú acéltípusok. Az egyes acéltípusoknál részletesen bemutatjuk a szilárdságnövelés hatásmechanizmusát, a vegyi összetétel, a szövetszerkezet és a mechanikai tulajdonságok, valamint a gyártási technológia acéltípusra jellemző sajátosságait. Minden acéltípusnál kitérünk az alkalmazásra is. Az utolsó leckében bemutatjuk a hidegalakításra szánt lapostermékek jellemző bevonatait, és a járműgyártásban egyre nagyobb szerepet kapó szabott lemeztermékek technológiáját is.
4.1. lecke: Hidegen hengerelt lapos termékek nagy folyáshatárú, mikroötvözött acélokból hidegalakításra (EN 10268) Cél: A lecke célja, hogy az olvasó megismerje az EN 10268 szabványban szereplő acéltípusokat, az egyes acéltípusok fontosabb jellemzőit. Felismerje az összefüggést a jellemzők, mint a szilárdságnövelés hatáselve, mechanikai tulajdonságok, vegyi összetétel, szövetszerkezeti és gyártástechnológiai sajátosságok, és az alkalmazás lehetőségei között.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes • felsorolni az EN 10268 szabvány acéltípusait, • jellemezni az említett acéltípusokat a szilárdságnövelés hatáselve, a vegyi összetétel, a szövetszerkezet és a mechanikai tulajdonságok alapján, • megmagyarázni az összefüggést az acéltípus jellemzői és az alkalmazásai között.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 45 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak • • • • • •
intersztíciós szennyezőktől mentes (IF) acélok, foszforral ötvözött (P) acélok, lakkbeégetésre keményedő (BH) acélok, BH-hatás, izotróp (IS) acélok, növelt szilárdságú, alacsonyan ötvözött (HSLA) acélok.
Intersztíciós szennyezőktől mentes acélok (IF) Tevékenység: Figyelje meg az F1. táblázatban az IF acélok képlékeny alakváltozási viszonyszámra és keményedési kitevőre vonatkozó előírásait, és hasonlítsa össze a Lilletféle diagrammal! Az intersztíciós szennyezőktől mentes (IF) acélok a nagyobb szakadási nyúlással rendelkező acéltípusok közé tartoznak. Az α-Fe-ban intersztíciósan oldódó komponensek közül ennél az acéltípusnál a karbont és a nitrogént kell kiemelni. Ha az acélban oldott, diffúzióképes állapotban találhatók meg, akkor öregedésre hajlamossá teszik az acélt. A hagyományos acélgyártási eljárásokkal a szennyezők csak egy határig távolíthatók el, ezért a különleges minőségeknél, így az IF acéloknál is, másodlagos minőségjavító eljárásokra is szükség van, mint pl. vákuum alatti frissítés (dekarbonizáció) vagy gáztalanítás. A másodlagos eljárások után visszamaradt szennyezőket ötvözéssel kötik meg, az IF acéltípust Ti-nal és Nb-mal mikroötvözik. A kis karbontartalom miatt szövetszerkezetük ferrites. Az IF acéloknál a
szilárdság növelésére több lehetőség is van: vegyületfázisok kiválása, szilárd oldatos szilárdságnövelés, képlékeny alakváltozás okozta felkeményedés, illetve a szemcsefinomítás. A mikroötvözésnek két cél elérésében van szerepe. A mikroötvözők vegyület formájában (pl. TiC, TiN, NbC, NbCN) kötik meg az oldott komponenseket, és a keletkező vegyületkiválások növelik a szilárdságot is, valamint csökkentik az átlagos szemcseméretet. A szilárd oldatos szilárdságnövelésben a Mn, Si és nagy hatékonysággal a P kap szerepet (0,1 %-nyi Mn ~4 MPa, ugyanennyi Si ~10MPa, míg P ~100MPa folyáshatár növekedést eredményez), de a P rideggé teheti az acélt. Szokásos még néhány ezred százalékban bórötvözés is, amely szintén a vegyületkiválásokban kap szerepet, illetve a P ridegítő hatását is csökkenti. A P-ötvözés Nb-mal mikroötvözött acéloknál jellemző, mert a P a Ti-nal foszfidot képez, és így a Ti rontja a foszfor hatékonyságát. Az IF acéloknál a hideghengerlés után újrakristályosító hőkezelést is alkalmaznak, amely az IF acélok jó alakíthatóságát és mélyhúzhatóságát eredményezik. Az alakíthatóságot jól jellemzi a kicsi Re/Rm viszony és a nagy Lankford-szám. Az IF acélok nagy keményedési kitevője nagy alakváltozási keményedést tesz lehetővé. Hegeszthetősége jó, alkalmas a lemeztermékeknél alkalmazott legtöbb automatizált hegesztésre (ponthegesztés, vonalhegesztés stb.) Az IF acélok alkalmazási területei a járműváz merevítő és tartó elemei, mint hossz és keresztmerevítések, de külső burkolóelemek gyártásához is választják ezt az acéltípust. Az IF acélok fontosabb műszaki jellemzői láthatók az F1. táblázatban és 4.1. táblázatban.
4.1. táblázat. Tűzi horganyzott IF220 acél jellemző összetétele. C 30 ppm
N 30 ppm
Mn 0,35 %
P 0,05 %
Al 0,03 %
Nb 0,035 %
Ti 0,02 %
B 10 ppm
Foszforral ötvözött acélok (P) Az α-Fe-ban szubsztitúciósan oldódó elemek közül a foszfor okozza a legnagyobb szilárdságnövekedést. A káros hatásai miatt (ridegíti az acélt és durva szemcseszerkezetet eredményez) a foszfor megengedett legnagyobb mennyisége a mai szerkezeti acélokban általában a 0,01-0,05 % [1]. A kis mennyiségben adalékolt foszfor (max. 0.17 %) javítja a mélyhúzhatóságot, és fokozza az alakítási keményedést, ezért a foszforral ötvözött növelt szilárdságú acélokat hidegalakításra elterjedten használják [2]. A kis karbontartalom miatt szövetszerkezetük ferrites. Az IF acélokhoz képest nagyobb folyáshatár is elérhető ezzel az acéltípussal, de a mélyhúzhatóságuk rosszabb. Főleg a teherviselő szerkezeti elemek, mint hossz- és keresztmerevítők, B-oszlop alapanyagául választják. A foszforötvözésű acélok a legtöbb hegesztési eljárással jól hegeszthetők.
Lakkbeégetésre keményedő acélok (BH) Tevékenység: Figyelje meg az F1. táblázatban a BH acélok képlékeny alakváltozási viszonyszámra és keményedési kitevőre vonatkozó előírásait, és hasonlítsa össze a többi alapanyag előírásaival! Tevékenység: Az 1.5. ábrán és az F3. ábrán figyelje meg, hogy mely szerkezeti elemekhez választanak BH acélminőséget? Mi ezek jellemző alakítási technológiája?
A lakkbeégetésre keményedő acélok, mint külön acéltípus szerepel a gyártók szállítási programjában, de a BH-hatás megjelenése nemcsak ezekre a típusokra igaz. A BH-hatás esetében mesterséges öregítéssel módosítják a mechanikai tulajdonságokat, azaz minden olyan acéltípusnál lezajlik a folyamat, amelyik öregedésre hajlamos (tartalmaz oldott diffúzióképes intersztíciós alkotókat). A BH acélok szilárdságának növekedése a technológiai folyamat jól meghatározott lépéseihez köthető. A 4.1. ábrán jól elkülöníthetők ezek a lépések.
4.1. ábra. a) A BH-hatás által létrejött folyáshatárnövekedés lépései a járműgyártási folyamatban. b) A jelenség magyarázata [3]. Az első lépésben hidegalakítási technológiával kialakítják a karosszériaelemet. Ekkor a folyáshatár a hidegalakítás miatt növekszik meg. A lakkbeégetés lépésében, amely egy 170°C hőmérsékleten 20 percig tartó hőkezelés, további folyáshatárnövekedés tapasztalható. Ez a BH-hatás, és a hatással elérhető folyáshatárnövekmény min. 35-40 MPa. A jelenség magyarázata azonos az acélok intersztíciós szennyezők okozta öregedésével: az alakítás hatására növekszik a diszlokációsűrűség, majd a hőkezelés hőmérsékletén a diffúzióképes, intersztíciós szennyezők (elsősorban a C és N atomok) a diszlokációk expandált zónáiba diffundálnak. A diszlokációk a mesterséges öregítés után csak nagyobb kritikus nyírófeszültség hatására mozdulnak el a kristályrácsban. A folyamat egy lemez próbatest szakítódiagramján is végigkövethető (l. 4.2. ábra).
4.2. ábra. A BH-hatás megjelenése az acél valódi feszültség diagramjában [4]. Az ábrában az 1-es görbe a dresszírozott alapanyag valódi feszültség görbéjének sematikus ábrázolása. Ha további alakítás nélkül elvégeznénk a lakkbeégetésre jellemző hőkezelést, akkor a 2-es görbét kapnánk, amely a BH0 nagyságú folyáshatárnövekményt eredményezi. Sokkal nagyobb a hatás, ha előalakított lemezen végezzük el a mesterséges öregítést (3-as görbe, 2%-os előalakítással). A 2%-os hidegalakítás hatására a folyáshatár az alapanyag Rp0,2 értékéről az Rp2,0 értékre növekszik, és a kettő különbsége lesz az alakítási keményedés (WH2). A mesterséges öregítés hatására a folyáshatár tovább növekszik. A BH-hatás értéke az EN 10325:2006 szabványnak megfelelően az alsó folyáshatár és a 2%-os maradó alakváltozáshoz tartozó feszültség különbsége: BH2 = Rp2,0 - ReL. A BH-hatás atomi szintű magyarázatából látható, hogy a BH-hatás nagyságát két tényező határozza meg: a diffúzióképes, intersztíciósan oldott (nem vegyületfázisban kötött) szennyezők koncentrációja (l 4.3. ábra), és a kiinduló diszlokációsűrűség, azaz az előalakítás mértéke (l. 4.4. ábra).
4.3. ábra. Az oldott intersztíciós atomok mennyiségének hatása a BH-hatás okozta szilárdságnövekedésre [3].
A BH-hatás megjelenéséhez legalább 5 ppm mennyiségű oldott C-tartalom szükséges, és ezzel akár 50 MPa folyáshatárnövekedést lehet elérni. Az ábrából látható, hogy 30-40 ppmig jelentősen változik a BH-hatás mértéke, viszont felette egy telítési értéket ér el, amely függ a szemcsék átlagos átmérőjétől is. A szemcseméret hatása visszavezethető a szemcsehatárok nagyobb rácshibasűrűségére. A következő ábrán az előalakítás mértékének, azaz a diszlokációsűrűség hatása látható. A lágyított állapothoz képest 0,5%-nyi nyújtás szükséges, hogy a BH-hatás mértéke elérje a telítési értéket, utána az alakítás mértékének nagyságával nem változik a BH-hatás által okozott folyáshatárnövekmény. A jóval nagyobb diszlokációsűrűség nem okoz nagyobb hatást, ha az oldott, intersztíciós atomok koncentrációja nem változik, hiszen több hibahelyre ugyanannyi diffúzióképes atom jut. Az ábrával összefüggésben azt is meg kell említeni, hogy a mélyhúzási technológia a lemez és így a kész alkatrész lényegesen eltérő alakítottságát eredményezi. Ennek megfelelően lehet eltérés az alkatrész egyes részein bekövetkező folyáshatárváltozásban.
4.4. ábra. Az előalakítás mértékének hatása a a BH-hatás okozta szilárdságnövekedésre [3]. A BH acélok kis C-tartalmú acélok, ferrites szövetszerkezetűek, az IF acélokhoz közeli mechanikai és alakíthatósági tulajdonságokkal (l. F1. táblázat). A szilárdságot a P-, Mn- és Si-tartalom mennyiségével állítják be (l. 4.2. táblázat). A jó alakíthatósági tulajdonságokat a gyártók a hideghengerlés utáni újrakristályosító hőkezeléssel érik el. Jól mélyhúzható, és nagy a keményedési kitevője (n). A BH-hatás miatt kialakuló nagyobb szilárdság lehetővé teszi, hogy az alkatrészek kisebb lemezvastagsággal készüljenek, és a mélyhúzás erőszükséglete is kisebb legyen, mintha egy hasonló szilárdságú, de BH-hatást nem mutató acéltípust választanánk. A BH acélok a kis C-tartalom és ötvözőtartalom miatt minden eljárással jól hegeszthető acéltípus. A kisebb folyáshatárú BH acélokat (HC180B és HC220B) elsősorban a nagyobb, külső burkolóelemeknél, mint ajtópanel, motorháztető, tető, választják alapanyagként, a járműváz elemeinél, mint merevítő elemek, alvázelemek, inkább a nagyobb folyáshatárú (HC260B és HC300B) minőségek jelennek meg.
4.2. táblázat. BH220 mért jellemző vegyi összetétele [5]. C
N
Mn
0,038
0,006
0,20
Si (%) 0,27
P
S
Al
0,054
0,012
0,051
Izotróp acélminőségek (IS) Tevékenység: Figyelje meg az F1. táblázatban, hogy miben mások a szabványban az IS minőségekre vonatkozó előírások! Az anyagtulajdonságok anizotrópiája lemeztermékek esetében a hengerlési technológiához köthető. A hengerlés irányában és arra merőlegesen mérhető szilárdsági és alakváltozási jellemzők jelentősen eltérhetnek egymástól, amely a lemeztermékek nagyfokú anizotrópiáját mutatják (l. 3.2. ábra). Az anizotrópia oka a szemcseszerkezetben keresendő, okozza a szemcsék egyirányú nyújtottsága, a szövetelemek és zárványok sorossága vagy az, hogy a szemcsék nagy százaléka azonos kristálytani orientáltságú (textúrás szerkezet). A nagyfokú anizotrópiát mutató lemez a mélyhúzásnál fülesedik, vagy a lemez elvékonyodhat, és el is szakadhat. Az izotróp minőségek (r≈1, l. F1. táblázat) kevésbé hajlamosak az elvékonyodásra, jól nyújtható minőségek, jól viselkednek a mélyhúzás során (nem fülesednek) , illetve nagy keményedési kitevővel rendelkeznek. A bonyolult, mélyhúzással gyártható alkatrészekhez fejlesztették ki, elsősorban a jármű külső burkoló elemeihez. Az izotróp tulajdonság eléréséhez a szövetszerkezetet irányítottságát kell megszüntetni, amely egyik feltétele a nem elnyújtott, azaz a tér minden irányában azonos méretű, ekviaxiális szemcsealak (l. 4.5. ábra). Mivel ezeknél az acéloknál hidegen hengerelt lemezekről van szó (lemezvastagság kisebb, mint 1 mm), a kedvező szemcsealak újrakristályosító hőkezeléssel érhető el. Az IS acélok jól hegeszthetők, ponthegesztésre alkalmasak. Szállítják galvanizált horgany vagy szerves bevonattal is. Az IS acélok fontosabb műszaki jellemzői láthatók az F1. táblázatban.
4.5. ábra. Izotróp (IS), nagy szilárdságú acél szövetszerkezete, a kis C-tartalom miatt ferrites [6]. Növelt szilárdságú, alacsonyan ötvözött acélok (HSLA) Tevékenység: Az 1.4., 1.5. és az F3. ábrán figyelje meg, hogy mely szerkezeti elemekhez választanak HSLA acélminőséget? A növelt szilárdságú alacsonyan ötvözött acélok a nagyobb folyáshatárú, de kisebb alakíthatóságú minőségek közé tartoznak a mikroötvözött, növelt szilárdságú acélok csoportján belül, de így is hidegen jól alakítható, közel izotróp minőségek. Ezekre az
acélokra nagy folyáshatár/szakítószilárdság arány és kis keményedési kitevő jellemző. A kis karbontartalom miatt szövetszerkezetük ferrites. A szilárdság növekedését három mechanizmus eredményezi: a szilárd oldatos szilárdságnövekedés, a szemcsefinomodás és a kiválásos mechanizmus. A mikroötvözés fontosabb ötvözői a Nb vagy a Ti, ill. e kettőt együttesen is alkalmazzák. Nb mikroötvözéssel ~400 MPa folyáshatár elérhető, de az e fölötti folyáshatár eléréséhez további mikroötvözőket kell használni (Ti, V), viszont a mikroötvözők bizonyos mennyiség feletti, ridegítő hatása miatt a Nb+Ti+V együttes mennyiségét 0,22%-ban korlátozzák az F1. táblázatban megadott egyenkénti korlátok felett. A HSLA acélminőségek nagy kifáradási határral rendelkeznek, ezért a gépjármű vázszerkezeti elemeinek, merevítő elemek, ill. a felfüggesztés alkatrészeinek gyártásához előnyös minőségek. Mivel alacsonyan ötvözött minőségekről van szó, a legtöbb hegesztési eljárással jól hegeszthető a hőhatásövezet jelentős kilágyulása, vagy szemcsedurvulása nélkül.
Önellenőrző kérdések Ö1. Kérdés: Mit jelent az intersztíciós szennyezőktől mentes kifejezés? Hogyan érik ezt el az IF acéloknál? Acéloknál a rácsközi (intersztíciós), diffúzióképes atomok, mint a C és N eltávolítását és megkötését jelenti. Az eltávolításhoz másodlagos minőségjavító eljárásokra van szükség, mint pl. vákuum alatti frissítés (dekarbonizáció) vagy gáztalanítás. A másodlagos eljárások után visszamaradt szennyezőket az acél mikroötvözésével, azaz Ti és Nb hozzáadásával kötik meg, amelyek a karbonnal és a nitrogénnel vegyület kiválásokat hoznak létre.
Ö2. Kérdés: Melyek a szilárdságnövelés módszerei IF acéloknál? A szilárdság növelésére több lehetőség is van: a mikroötvözők által vegyületfázisok kiválása (pl. TiC, TiN, NbC, NbCN), valamint csökkentik az átlagos szemcseméretet, a szilárd oldatos szilárdságnövelésben a Mn, Si és nagy hatékonysággal a P kap szerepet, ill. képlékeny alakváltozás okozta felkeményedés is elérhető.
Ö3. Kérdés: Mi a foszforötvözés célja a növelt szilárdságú acélok esetében? Szilárd oldatos szilárdságnövekedést valósít meg. Az α-Fe-ban szubsztitúciósan oldódó elemek közül a foszfor okozza a legnagyobb szilárdságnövekedést. A kis mennyiségben adalékolt foszfor (max. 0.17 %) javítja a mélyhúzhatóságot, és fokozza az alakítási keményedést.
Ö4. Kérdés: Milyen szilárdságnövelő mechanizmusok működnek a BH acélok esetében? Alakítási szilárdságnövekedés, majd utána a diffúzióképes, intersztíciós atomok okozta szilárdságnövekedés.
Ö5. Kérdés: Mit jelent a BH-hatás, milyen kapcsolata van a diffúzióképes, intersztíciós atomok okozta öregedéshez? A BH-hatás egy mesterséges öregítési eljárás, amelynek során az alakítás hatására növekszik a diszlokációsűrűség, majd a hőkezelés hőmérsékletén a diffúzióképes, intersztíciós szennyezők (elsősorban a C és N atomok) a diszlokációk expandált zónáiba
diffundálnak. A diszlokációk a mesterséges öregítés után csak nagyobb kritikus nyírófeszültség hatására mozdulnak el a kristályrácsban.
Ö6. Kérdés: Melyek a fontosabb technológiai lépései a minél nagyobb mértékű BH-hatás elérésének? Az első lépésben hidegalakítási technológiával kialakítják a karosszériaelemet. Ekkor a folyáshatár a hidegalakítás miatt növekszik meg. A lakkbeégetés lépésében, amely egy 170°C hőmérsékleten 20 percig tartó hőkezelés, további folyáshatárnövekedés tapasztalható a mesterséges öregedésnek köszönhetően.
Ö7. Feladat: A 4.2. ábra alapján definiálja a BH2 értékét! A 2%-os hidegalakítás hatására a folyáshatár az alapanyag Rp0,2 értékéről az Rp2,0 értékre növekszik, és a kettő különbsége lesz az alakítási keményedés (WH2). A mesterséges öregítés hatására a folyáshatár tovább növekszik. A BH-hatás értéke az EN 10325 szabványnak megfelelően az alsó folyáshatár és a 2%-os maradó alakváltozáshoz tartozó feszültség különbsége: BH2 = Rp2,0 - ReL.
Ö8. Kérdés: Miért fejlesztették ki az izotróp (IS) acélminőségeket? A nagyfokú anizotrópiát mutató lemez a mélyhúzásnál fülesedik, vagy a lemez elvékonyodhat, és el is szakadhat. Az izotróp minőségek (r≈1, l. F1. táblázat) kevésbé hajlamosak az elvékonyodásra, jól nyújtható minőségek, jól viselkednek a mélyhúzás során (nem fülesednek), illetve nagy keményedési kitevővel rendelkeznek. A bonyolult, mélyhúzással gyártható alkatrészekhez fejlesztették ki, elsősorban a jármű külső burkoló elemeihez.
Ö9. Kérdés: Melyek a fontosabb szilárdságnövelő hatások a kis mértékben ötvözött (HSLA) acélminőségek esetében? A szilárdság növekedését három mechanizmus eredményezi: a szilárdságnövekedés, a szemcsefinomodás és a kiválásos mechanizmus.
szilárd
oldatos
Felhasznált irodalom [1]
Balla et al.: Járműszerkezeti anyagok és technológiák I., egyetemi tananyag, Typotex Kiadó (2011), www.tankonyvtar.hu
[2]
Effect of Phosphorus on the Properties of Carbon Steels, Key to Metals, www.keytometals.com
[3]
Patrick Elsen: Bake-Hardening-Effekt bei Feinblechen, Fortschrittberichte VDI, Nr.314, VDI-Verlag, Düsseldorf (1993), ISBN 3-18-141405-0
[4]
E. Kozeschnik, B. Buchmayer, Steel Research (1997) 5, 224.
[5]
T. Kvačkaj et al.: Development of bake hardening effect by plastic deformation and annealing conditions, Metalurgija 45 (2006) 1, pp.: 51-55
[6]
ArcelorMittal: Extract from the product catalogue
4.2. lecke: Melegen és hidegen hengerelt, többfázisú acélok hidegalakításra (EN 10338) Cél: A lecke célja, hogy az olvasó megismerje az EN 10338 szabványban szereplő acéltípusokat, az egyes acéltípusok fontosabb jellemzőit, és azt, hogy ezek hogyan hatnak az alkalmazás lehetőségeire. Az olvasó felismerje az összefüggést a jellemzők, elsősorban a szövetszerkezet és a mechanikai tulajdonságok között, valamint azt, hogy ezek milyen vegyi összetételbeli és gyártástechnológiai sajátosságokat követelnek meg.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes • felsorolni az EN 10338 szabvány acéltípusait, • jellemezni az említett acéltípusokat, a szövetszerkezet és a mechanikai tulajdonságok alapján, • leírni, hogy az említett szövetszerkezetet hogyan érik el, • megmagyarázni az összefüggést az acéltípus jellemzői és az alkalmazásai között.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 45 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak • • • • • •
többfázisú acélok, kettős fázisú, azaz „Dual Phase” (DP) acélok, összetett fázisú, azaz „Complex Phase” (CP) acélok, ferrites-bénites (FB) acélok, átalakulás indukálta alakíthatósággal rendelkező (TRIP) acélok, interkritikus lágyítás.
Bevezetés A csoportba tartozó acéltípusokat, és minőségeket összefoglalóan többfázisú acéloknak nevezik, de kiegészítést kell tennünk az elnevezéshez. A többes fázis elnevezést a nemzetközi irodalomból vette át a szakma, amely megnevezés helyes, de amikor az említett acélok szövetszerkezetét tárgyaljuk (pl. a CP acélok ferrit-bénit-martenzites szerkezete), akkor valójában nem fázisokról, hanem szövetelemekről beszélünk (néhány esetben a fázis és a szövetelem, mint pl. a ferrit, maradék ausztenit vagy a martenzit esetében megegyezik, mivel ezek homogén szövetelemek, de a bénit kétfázisú, inhomogén szövetelem). Többfázisú acélok szilárdságnövelésének lényege a nemegyensúlyi szövetelemek megjelenésében van. Csak a karbontartalom növelésével, ferrit-perlites szövetszerkezetű acélok esetében, az elérhető folyáshatár közelítőleg 550 MPa [1]. A folyáshatár viszont
hatásosan növelhető úgy, ha az acélban nemegyensúlyi szövetelemek jelennek meg. Ezek keménysége, mint pl. a bénité vagy martenzité, jóval meghaladja az egyensúlyi perlit keménységét. Létrehozásuk alapelve megegyezik az acélok hőkezelésénél működő alapelvekkel, azaz az ismert átalakulási diagramok szerint mennek végbe az átalakulások. A alábbi ábrán (l. 4.6. ábra) a fontosabb többfázisú acélok szövetszerkezete és létrehozásuk ábrázolása látható egy kis karbontartalmú acél vázlatos, folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramjában.
4.6. ábra. A többfázisú acélok szövetszerkezetének kialakulása [2]. Az ábrában látható jelölések jelentése megtalálható a 4.6. ábrához fűzött magyarázatban. Az ábrából látható, hogy a többfázisú acélok lényegesen a szövetszerkezetben különböznek. A kialakítható szövetszerkezet viszont függ a vegyi összetételtől. Mint az Fe-C rendszer egyensúlyi fázisdiagramjából tudjuk, az egyensúlyi szövetelemek arányát a C-tartalom határozza meg elsősorban (ötvözetlen és kis mértékben ötvözött acélok esetén)[lásd. pl. 3]. Ez hatással lesz a nem egyensúlyi szövetelemek kialakuló arányára is, valamint a martenzit megjelenése is a C-tartalomhoz köthető. Tisztán martanzites szövetszerkezet 0,2% átlagos C-tartalom felett érhető el. Részben martenzitet tartalmazó acélok (pl. DP acélok) ennél kisebb átlagos C-tartalomnál is létrehozhatók megfelelő hőkezeléssel, amikor az átalakulás során fennmaradó ausztenit karbonban feldúsul. A többes fázisú acélok gyártási technológiáinál látni fogjuk, hogy az átalakulás folyamatában fennmaradó ausztenit karbonban való feldúsulásának és kisebb hőmérsékleten létrejövő stabilitásának kulcs szerepe van, hiszen ez alakul át nem egyensúlyi szövetelemmé (martenzit vagy bénit) vagy szobahőmérsékleten is stabil marad. Az ötvözők szerepe az eddig ismertetetteken felül ezeknél az acéloknál az átedzhetőség javítása (Cr, Mo, B), ill. az ausztenit stabilizálása kisebb hőmérsékleteken (C, Si, Mn, P), azaz az átalakulási görbéket jobbra tolják el, így csökkentve a kritikus hűtési sebességet. A C, mint legfontosabb ötvöző, a szövetszerkezetet, és ezen keresztül a mechanikai tulajdonságokat határozza meg, de mivel jól oldódik az ausztenitben, stabilizálja is azt. A Mn az ausztenitben jól oldódik, ezért az ausztenitet stabilizáló ötvöző, késlelteti a bénit kialakulását, és ezzel karbonban dúsítja az átalakulásban
fennmaradó ausztenitet. A Si szerepe, hogy elősegíti a ferrit kialakulását (ez DP acéloknál előnyös), másik hatása, hogy nem oldódik a cementitben, ezért a bénit kialakulásakor fékezi a cementit megjelenését, így a fennmaradó ausztenit karbonban feldúsul, amelyet a nagy karbontartalom stabilizál. A nagy szilíciumtartalom meleghengerléskor rontja a felületi minőséget, és hátrányos hatással van az acélok tűzihorganyozhatóságára, ezért mennyiségét foszforral és alumíniummal csökkentik vagy helyettesítik. DP és TRIP acéloknál a foszfor akár 0,21 t%-os mennyiségben is előfordulhat [4]. A foszfor, a Si-hoz hasonlóan, gátolja a cementit kialakulását (mert nem oldódik a cementitben), így segíti az átalakulásban fennmaradó ausztenit karbonban való dúsulását és a maradék ausztenit stabilizálását [5]. Tevékenység: Az F3. ábrán figyeljük meg a többfázisú acélok alkalmazási területeit!
Kettős fázisú acélok (Dual Phase, DP) Tevékenység: Figyeljük meg, hogy a DP acélok alakváltozási határdiagramja hogyan tolódik el a hasonló folyáshatárú mikroötvözött, növelt folyáshatárú acélok alakíthatósági határdiagramjához (F1. ábra) képest! A kettős fázisú acélok ferrit-martenzites szövetszerkezetű acélok. A martenzit aránya 1020% között változik, vagyis ferrit mátrixban lévő martenzit fázisok alkotják a szövetképet. A DP acélok a ferrit alapmátrixnak köszönhetően jól alakíthatóak. A folyáshatár és szakítószilárdság aránya 0,55-0,6 között változik, ennek köszönhetően nagy felkeményedést mutatnak. Összehasonlítva az azonos folyáshatárú HSLA minőséggel, az alakítás során nagyobb alakítási keményedés érhető el (l. 4.7. ábra).
4.7. ábra. Azonos folyáshatárú DP, TRIP és HSLA acél eredeti keresztmetszetre vonatkoztatott, mérnöki feszültség–nyúlás diagramja. A mérnöki feszültség alatt azt értjük, hogy a diagram minden feszültség értékéhez a mért erőt az eredeti keresztmetszettel osztották el [6]. A nagy felkeményedés az alakítás során homogénebb nyúláseloszlást eredményez, és csökkenti a helyi elvékonyodás lehetőségét. Az alakítási technológia tervezésénél viszont figyelembe kell venni, hogy ez az acéltípus nagyobb alakítás utáni visszarugózásra hajlamos (főleg a nagyobb folyáshatárú alapanyagok), mint a növelt folyáshatárú, mikroötvözött minőségek. A nagy alakítási keményedésnek és BH-hatásnak köszönhetően nagy folyáshatárú alkatrészek gyárthatók belőle, amely lehetővé teszi a falvastagság, és így a járműváz önsúlyának csökkentését. Nagy kifáradási határral és energiaelnyelő képességgel
rendelkező alapanyag. A járműváz szerkezeti elemeinek, mint hossz- és kereszttartók, merevítők, A- és B-oszlop, alvázelemek, valamint ütközésbiztonság szempontjából fontos elemeinek, mint lökhárító, ütköző zónák gyűrődő elemei (oldalmerevítők, motortér vázelemei, stb.) gyártására alkalmas alapanyag. A nagy kifáradási határ miatt keréktárcsa, csapágytorony bak és egyéb futóműelemek (lengőkar) gyártására is megfelelő. Noha a HSLA minőségekhez képest nagyobb ötvözőtartalommal rendelkezik, a járműiparban használt ponthegesztéssel jól hegeszthető. Más többes fázisú és növelt szilárdságú, valamint hagyományos, hidegalakításra szánt acéltípusokkal is összehegeszthető. A DP acélok gyártásának egyik módja a szabályozott hőmérsékletvezetésű meleghengerléshez kapcsolódó szabályozott hűtés. A szabályozott hűtés során az ausztenit 80-90 %-a ferritté alakul át, míg a maradék ausztenit karbonban feldúsul, majd a ~200°C-os csévélési hőmérsékleten a 10-20% ausztenit martenzitté alakul át (l. 4.8. a) ábra). A másik lehetőség hidegen hengerelt szalag hőkezelése, amelynek első fontos lépése egy izoterm hőkezelés, amelyet interkritikus lágyításnak neveznek (l. 4.8.b) ábra). Az interkritikus lágyítás során az α-Fe + γ-Fe kétfázisú tartományba hevítik a szalagot, ahol a megfelelő hőmérsékleten kialakul a megfelelő fázisarány. A gyors hűtés hatására az ausztenit fázis átalakul martenzitté. Ebben az ábrában látható jól, ami a szabályozott hűtésnél is végbemegy, hogy az ausztenit fázis karbonban feldúsul az edzhetőséget jelentő karbontartalom fölé. Ez teszi lehetővé, hogy az edzhetőség kritériumát nem teljesítő átlagos karbontartalmú acélban mégis kialakuljanak martenzites szemcsék. A DP acélokban a Si-tartalom a ferritképződést segíti elő, a Mn késlelteti a bénit kialakulását, azaz kisebb hűtési sebességekkel is az MS hőmérséklet alá hűthető a szalag (l. 4.8. a) ábra). Nagyobb mennyiségű Nb-mal való ötvözés révén a ferritképződés alacsonyabb hőmérsékletre is letolódhat, így a nióbiumötvözés a DP acélokban feleslegessé teszi a szalaghűtésnél a ferritképződési hőmérsékleten a hőntartási lépcsőt.
a)
b)
4.8. ábra. a) DP és martenzites acélok gyártásának vázlatos magyarázata (a folytonos vonal meleghengerelt szalag szabályozott hűtését mutatja, a pontvonal hidegszalag interkritikus lágyítását [7]. b) Az interkritikus lágyítás magyarázata az Fe–C fázisdiagramban.
Összetett fázisú acélok (Complex Phase, CP) Tevékenység: Figyeljük meg, hogy a CP acélok alakváltozási határdiagramja hogyan helyezkedik el a hasonló mechanikai tulajdonságú DP acélok alakíthatósági határdiagramjához (F2. ábra) képest! Az összetett fázisú acélok szövetszerkezetére három szövetelem jelenléte jellemző, legnagyobb mennyiségben ferritet tartalmaznak és ebben az alapmátrixban található meg a bénit és a martenzit nagyon kevés maradék ausztenittel. A leírt szövetszerkezetnek köszönhetően nagyobb folyáshatár érhető el ennél az alapanyagnál a DP acélokhoz viszonyítva, de kisebb szakadási nyúlással, és kisebb alakíthatósággal. A folyáshatár és a szakítószilárdság aránya nagyobb a DP acélokhoz viszonyítva. Mindezek ellenére jól alakítható acéltípus. A többi típushoz mérten nagy a szállítási szilárdsága. Az említett mechanikai tulajdonságok miatt csak kisebb bonyolultságú, kisebb mértékben alakított (pl. kisebb mélyhúzási viszonyszámú) alkatrészek gyárthatók belőle, mint pl. merevítő elemek, alvázelemek. A CP acélok jól élhajlíthatók, kis lekerekítési sugárral, és peremezhetők. Hajlító görgőkkel jól alakíthatók. Az összetett fázisú acélok, a nagy energiaelnyelő képességük, és a dinamikus behatásokkal szembeni ellenállásuk miatt, a gépjárművek ütközésbiztonság szempontjából fontos elemeihez (pl. lökhárító léc, A- és B-oszlop), ütköző zónák gyűrődő elemeihez (oldalmerevítők, motortér vázelemei, stb.) megfelelő alapanyag. A CP acélok magas folyáshatáruk következtében alkalmasak arra, hogy erősítésként működve egy esetleges baleset esetén csökkentsék az A- és B-oszlopok megtörésének, kihajlásának mértékét, így megtartva az utastér alakját. A jelentősen nagy kifáradási határuknak köszönhetően fárasztó igénybevételnek kitett elemek (pl. futóműelemek) gyártására is alkalmas. A CP acélok jól ponthegeszthetők, más többes fázisú és növelt szilárdságú, valamint hagyományos, hidegalakításra szánt acéltípusokkal. A CP acélok vegyi összetétele nagyon hasonló az ugyanolyan szakítószilárdsággal rendelkező DP acélok vegyi összetételével. A szövetszerkezeti különbözőség a termikus előéletnek köszönhető. A CP acéloknak megfelelő szövetszerkezet szabályozott hőmérsékletvezetésű hengerléssel, és szabályozott csévélési hőmérséklettel érhető el közvetlenül a melegszalag hengerlése után, de megfelelő hőkezeléssel (interkrikikus lágyítás és izotermikus hőkezelés) ferrit-perlites hidegszalagban is létrehozható (l. 4.9. ábra). A hőkezelés lényege, hogy a ferrit-ausztenites szövetszerkezet kialakítása után, amelyet a szabályozott hőmérsékletvezetés vagy hidegszalag esetében az interkritikus lágyítás hoz létre, izotermikus hőkezelés következik (melegszalag esetében ez a csévélő berendezésben zajlik). Ekkor az ausztenit nagyobb része bénitté alakul, a maradék ausztenit pedig a gyors hűtés következtében martenzitté.
4.9. ábra. FB, TRIP és CP acélok gyártásának vázlatos magyarázata (a folytonos vonal meleghengerelt szalag szabályozott hűtését mutatja, a pontvonal hidegszalag interkritikus lágyítását [7]. Melegen hengerelt ferrit-bénites acélok (FB) A ferrit-bénites acélok a HSLA acéltípus kiterjesztései, ahol a nagy szakítószilárdság kiterjesztett alakíthatósággal találkozik, amely jó peremezhetőséget eredményez. A HSLA acélokhoz képest kisebb a folyáshatár szakítószilárdság arány, és közel azonos az előírt szakadási nyúlásuk. Vázszerkezeti elemek gyártására alkalmas, mint kereszttartók, hossztartók, egyéb merevítő elemek, illetve a nagy kifáradási határ miatt a felfüggesztés alkatrészeinek (lengőkar), keréktárcsa, stb. alapanyagának is megfelelő. A ferrit-bénites szövetszerkezet hasonlóan hozható létre, mint a CP acélok szövetszerkezete (l. 4.9. ábra).
TRIP acélok Tevékenység: Figyeljük meg, hogy a TRIP acélok alakváltozási határdiagramja hogyan tolódik el a hasonló szakítószilárdságú DP és CP acélok vagy a hasonló folyáshatárú HSLA acélok alakíthatósági határdiagramjaihoz (F2. és F1. ábra) képest! A TRIP mozaikszó az angol transformation induced plasticity kifejezésből ered. A kifejezés jelentése az átalakulás által előidézett alakíthatóság. Erre az acéltípusra a nagy arányú, szobahőmérsékleten metastabil maradék ausztenit jellemző, amely 10-15 % ausztenit szövetelemarányt jelent, de minimum 5 %-ot. Mivel az ausztenit metastabil állapotban van jelen, megfelelő aktiválásra (amely lehet hőmérsékleti vagy mechanikai is, a TRIP acéloknál az utóbbiról van szó) elindul a martenzitté alakulása. A DP és CP acélokhoz képest számottevő alakíthatóságot a maradék ausztenit fázis jó alakíthatósága (mivel az ausztenit felületen középpontos kockarácsú), és az alakítás során lezajló átalakulás adja. Az utóbbi úgy járul hozzá az alakíthatósághoz, hogy a képlékenyen alakváltozott részek martenzitté alakulnak, amely keménysége meghaladja az ausztenitét, így azok maradó alakváltozásához nagyobb feszültség kellene. Ennek köszönhetően, mint egy lánc folyamatban, a többi ausztenitrészben folytatódik a képlékeny alakváltozás. Innen ered a többlet alakíthatóság és
a jelentős felkeményedési képesség is. A TRIP-hatás következménye az is, hogy a megmunkálás folyamatában a lemez elvékonyodására kisebb az esély, mivel az elvékonyodás helyén jelentősen nagyobb felkeményedés zajlik le. A többlet alakíthatóság a HSLA acélokhoz képest, ugyanolyan kiinduló folyáshatár mellett jelentős, de a DP és a CP acélokhoz képest is ~5% többlet mérhető. Az 1.3. ábrán ezért látható az, hogy a TRIP acélok jobbra és felfele tolódnak el, azaz a többlet alakíthatóság mellett az alakítás utáni folyáshatár is nagyobb lesz. Hasonló folyáshatárú HSLA, DP és TRIP anyagok mérnöki feszültség–megnyúlás diagramjainak (4.7. ábra) összehasonlításából is jól látszik a nagy felkeményedési képesség (kifejezetten a HSLA acélokhoz viszonyítva) és a többlet alakíthatóság is. A TRIP acéloknál is megfigyelhető jelentős BH-hatásból adódó folyáshatárnövekedés. Az ötvözők mennyiségének meghatározásában fontos szempont az ausztenit stabilizálása kisebb hőmérsékleteken. Ebben elsősorban a nagyobb C-tartalomnak van szerepe, hiszen jobban oldódik a γ-Fe-ban, mint az α-Fe-ban, így a DP és CP acélokhoz képest is nagyobb az aránya a TRIP acélokban (jellemzően 0,15-0,3%). A másik ausztenitet stabilizáló ötvöző a Mn, mert a γ-Fe-ban nagyon jól oldódó ötvöző. Ezen kívül említettük még a szilíciumot és a foszfort, amelyek a cementit kiválását (mivel nem oldódnak a cementitben), és így az ausztenit bénitté alakulását késleltetik, ennek köszönhetően a bénit kialakulásakor a maradék ausztenit karbonban jelentősen feldúsul. Mint már említettük, a foszfort a szilícium helyettesítésére adagolják az acélba, mivel a Si rontja a felület és a tűzi horganybevonat minőségét. A Nb-nak szerepe a TRIP acélokban az említett hatásokon kívül az ausztenit stabilizálásában van. Kis mennyiségben is kisebb hőmérsékletek felé viszi az ausztenit stabilitásának tartományát [4]. Vizsgálatok szerint, elsősorban a karbontartalom határozza meg azt a megnyúlás- illetve feszültségértéket, amelynél a maradék ausztenit martenzitté alakulása megindul, ezért ez az érték a karbontartalom megfelelő beállításával jól tervezhető. Kisebb karbontartalom esetén a maradék ausztenitfázis a mechanikai igénybevétel hatására szinte azonnal átalakul martenizitté, nagyobb karbontartalomnál ez a folyamat, a stabilabb ausztenitfázisnak köszönhetően, jóval nagyobb alakváltozási értékeknél kezdődik el, sőt akár meghaladhatják a gyártás során alkalmazott nyúlásértékeket. A nagy karbontartalmú TRIP-acéloknál, a gyártás után, jelentős a maradék ausztenit mennyisége, és csak egy rákövetkező nagy erőhatás, pl. ütközés hatására alakul át martenzitté [8]. Az említett mechanikai tulajdonságainak köszönhetően a TRIP acélok jól mélyhúzhatók, alkalmasak bonyolultabb, összetett alakú alkatrészek gyártására. A nagy alakítási keményedés miatt a nyers lemezhez képest nagy folyáshatárral jellemezhető alkatrészeket kapunk az alakítás után. A mérnöki feszültség–megnyúlás diagramban megjelenő hosszú szívós szakasz (l. 4.7. ábra) és a nagy folyáshatár miatt nagy energiaelnyelő képességgel rendelkeznek a TRIP acélból gyártott alkatrészek. A gépjármű vázszerkezeti és ütközésbiztonság szempontjából fontos elemeinek megfelelő alapanyaga, mint hossz- és keresztmerevítők, egyéb merevítések, B-oszlop, lökhárító. A TRIP acélból készült alkatrészeket kétféle szövetszerkezetű változatban építik be a gépjárművek vázszerkezetébe. Az első változatban az alkatrész alakadása, alakítása hatására a maradék ausztenit martenzitté alakult, így egy jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkező, igen nagy
teherbírású acélt kapunk. Ezen tulajdonságai miatt az ilyen alkatrészeket olyan helyeken alkalmazzák, ahol a legnagyobb teherbírás szükséges, ezért jellemzően a személyautók Ailletve B-oszlopai készülnek ebből az anyagból. A másik változatban még jelentős arányú metastabil ausztenit fázist lehet megtalálni. Az ilyen alkatrészeket építik be a gépjárművek ütközési zónáiba. Erre a célra főként a magasabb széntartalmú, nióbiummal ötvözött TRIP acélok alkalmazhatók, amely acélokban az ausztenit fázis a gyártás során elszenvedett mechanikai igénybevételt jelentősen meghaladó külső erőhatás, például nagy erejű ütközés hatására alakul át martenzitté. Az ütközéskor bekövetkező képlékeny alakváltozás és martenzites felkeményedés együttesen kap szerepet az ütközési energia elnyelésében. A TRIP acélok hegeszthetőségénél figyelembe kell venni a viszonylag nagy C-tartalmat, de mindezek ellenére a járműgyártásban alkalmazott hegesztési eljárásokkal jól hegeszthető. A TRIP acélok gyártási eljárása nagyon hasonlít a CP acéloknál ismertetett eljáráshoz. A melegszalag szabályozott hőmérsékletvezetésű hengerlése vagy a hidegszalag interkritikus lágyítása után kialakul a megfelelő ausztenit-ferrit arány (l. 4.10. ábra). Az ezután következő izotermikus hőkezelés eredményezi az ausztenit bénitté alakulását, de mivel a nagy ötvözőtartalom (főleg az Si és a P) gátolja a bénitben a karbid fázis megjelenését, az át nem alakult, maradék ausztenit karbonban jelentősen feldúsul. Ez eredményezi a maradék ausztenit jelentős arányát. A folyamat a 4.9. ábrán is végigkövethető, hiszen ahogy a bénit tartományában látható izoterma mentén az ausztenit bénitté alakul, a fennmaradó ausztenit karbonban feldúsul, és így a martenzit kialakulás kezdő hőmérséklete (MS) is lejjebb tolódik.
4.10. ábra. TRIP acélok gyártási útvonala meleghengerlés után közvetlenül, vagy hidegszalag hőkezelésével [9, 10].
Önellenőrző kérdések Ö1. Feladat: Sorolja fel a többfázisú acélok előállítása szempontjából a fontosabb ötvözőket és a szövetszerkezetre gyakorolt hatásukat! C: A szövetszerkezetet, és ezen keresztül a mechanikai tulajdonságokat határozza meg, de mivel jól oldódik az ausztenitben, stabilizálja is azt. Tisztán martanzites szövetszerkezet 0,2% átlagos C-tartalom felett érhető el. Részben martenzitet tartalmazó acélok (pl. DP acélok) ennél kisebb átlagos C-tartalomnál is létrehozhatók megfelelő hőkezeléssel, amikor az átalakulás során fennmaradó ausztenit karbonban feldúsul. Mn: A Mn az ausztenitben jól oldódik, ezért az ausztenitet stabilizáló ötvöző, késlelteti a bénit kialakulását, és ezzel karbonban dúsítja az átalakulásban fennmaradó ausztenitet. Si: Elősegíti a ferrit kialakulását, másik hatása, hogy nem oldódik a cementitben, ezért a bénit kialakulásakor fékezi a cementit megjelenését, így a fennmaradó ausztenit karbonban feldúsul, amelyet a nagy karbontartalom stabilizál. P: A Si-hoz hasonlóan gátolja a cementit kialakulását (mert nem oldódik a cementitben), így segíti az átalakulásban fennmaradó ausztenit karbonban való dúsulását és a maradék ausztenit stabilizálását.
Ö2. Kérdés: Milyen szövetszerkezettel jellemezhetőek a DP acélok? Mi lesz ennek a legfontosabb hatása? Ferrit mátrixban lévő martenzit fázisok alkotják a szövetképet, a martenzit aránya 10-20% között változik. A martenzit hatására nagy lesz a folyáshatár, a ferrit alapmátrixnak köszönhetően jól alakíthatóak, és nagy felkeményedést mutatnak.
Ö3. Kérdés: Mi a szerepe az interkritikus hőkezelésnek a DP acélok gyártásában? Az egyik lépése a DP acélok gyártásának hidegszalag újramelegítésével. Ezzel a hőkezeléssel a ferrit-ausztenit arányt, a gyors hűtés után végső soron a ferrit-martenzit arányt, állítják be. Az interkritikus lágyítás során az α-Fe + γ-Fe kétfázisú tartományba hevítik a szalagot, ahol a megfelelő hőmérsékleten kialakul a megfelelő fázisarány. A gyors hűtés hatására az ausztenit fázis átalakul martenzitté.
Ö4. Kérdés: Miben különbözik a CP acélok gyártása a DP acélokétól, és ez milyen szövetszerkezetet eredményez? Mindkét acéltípusnál az első lépés a ferrit-ausztenites szövetszerkezet kialakítása, amelyet a szabályozott hőmérsékletvezetés vagy hidegszalag esetében az interkritikus lágyítás hoz létre. Az ezt követő izotermikus hőkezelés nagyobb hőmérsékleten zajlik, ekkor az ausztenit nagyobb része bénitté alakul, a maradék ausztenit pedig a gyors hűtés következtében martenzitté.
Ö5. Kérdés: Milyen céllal fejlesztették ki a TRIP acélokat? A TRIP acélok célja, hogy a HSLA, DP és a CP acélokhoz képest is többlet alakíthatósággal rendelkezzen az alapanyag.
Ö6. Kérdés: Mit jelent a TRIP-hatás, hogyan működik?
A TRIP mozaikszó jelentése: az átalakulás által előidézett alakíthatóság. Erre az acéltípusra a nagy arányú, szobahőmérsékleten metastabil maradék ausztenit jellemző. A DP és CP acélokhoz képest számottevő alakíthatóságot a maradék ausztenit fázis jó alakíthatósága, és az alakítás során lezajló átalakulás adja. Az utóbbi úgy járul hozzá az alakíthatósághoz, hogy a képlékenyen alakváltozott részek martenzitté alakulnak, amely keménysége meghaladja az ausztenitét, így a többi ausztenitrészben folytatódik a képlékeny alakváltozás.
Ö7. Feladat: Hasonlítsa össze az F2. táblázatban a többfázisú acélok vegyi összetételét. Mi a C-, Si- és a P-tartalom jelentős eltérésének az oka a TRIP acélok esetében? A cél a maradék ausztenit stabilizálása szobahőmérsékleten, amelyet a maradék ausztenit nagy C-tartalmával lehet elérni. Ehhez nagyobb kiinduló C-tartalom szükséges, illetve a Si és a P nagyobb aránya, mivel ezek gátolják a bénitben a karbid fázis megjelenését, így az át nem alakult, maradék ausztenit karbonban jelentősen feldúsul. Ezért a TRIP acéloknál mindhárom ötvöző megengedhető mennyisége nagyobb.
Ö8. Kérdés: Mely mechanikai tulajdonságok javulását eredményezi a TRIP hatás a HSLA, DP, és CP acélokéhoz képest? A többlet alakíthatóság miatt a TRIP acélok jól mélyhúzhatók, alkalmasak bonyolultabb, összetett alakú alkatrészek gyártására. A peremezési műveletekben kisebb a szélek berepedezési hajlama (a lyuktágító vizsgálatban nagyobb tágíthatósági arány). A nagy alakítási keményedés miatt a nyers lemezhez képest nagy folyáshatárral jellemezhető alkatrészeket kapunk az alakítás után. A nagyobb alakíthatóság és felkeményedési hatás miatt nagyobb energiaelnyelő képességgel rendelkeznek a TRIP acélból gyártott alkatrészek.
Felhasznált irodalom [1]
Gulyás J, Horváth Á., Illés P., Farkas P.: Acélk hengerlése, elektronikus tananyag, Miskolci Egyetem (2013), www.tankonyvtar.hu
[2]
ULSAB-AVC, Overwiev Report, Appendix III (January 2002)
[3]
Lovas A. szerk.: Anyagismeret, egyetemi tananyag, Typotex Kiadó (2011), ww.tankonyvtar.hu
[4]
Gulyás József, Baross Botond: TRIP acélok tulajdonságainak Mechatronika, Anyagtudomány, Mickolc, Vol. 1 No. 2 (2005) p. 37-46
[5]
Wolfgang Bleck, Andreas Frehn, Joachim Ohlert: Phosphorus in Dual Phase and TRIP steels, Department of Ferrous Metallurgy Aachen University of Technology, p. 42
[6]
Advanced High Strength Steels Applications Guidline, Version 4.1, Worldautosteel (June 2009), www.worldautosteel.org
[7]
E.-J. Dreves, B. Engl, J. Cruse: Höherfeste Stähle - heute und morgen; Stahl und Eisen, 119 (1999) Nr 5
[8]
Nagy Erzsébet: Alakváltozás indukálta martenzites átalakulás ausztenites Cr-Ni acélokban, Ph.D. értekezés, Miskolci Egyetem (2007)
vizsgálata,
[9]
Klaus Hulka: Modern Multi-Phase Steels for the Automotive Industry, Material Sciences, Testing and Informatics, ed. by J. Gyulai, TRANSTECH PUBLICATIONS, 3rd Hungarian Conference on Materials Sciences, Testing and Informatics, Balatonfüred (2001)
[10] Lőrinczi J., Szabados O., Szabó Z., Zsámbók D., Verő B., Dobránszky J., Hirka J.: Kísérleti gyártás DP- és TRIP-acélok hazai bevezetésére, A Dunaújvárosi Főiskola Közleményei 26 (2005) 395-408.
További irodalmak Hardy Mohrbacher: A nióbiummal mikroötvözött acélok alkalmazása gépjármû karosszériákban. BKL 139. évf. 2006/2. szám. Horváth Ákos, Kovács Mihály, Sebő Sándor, Szélig Árpád, Kopasz László, Török Péter, Verõ Balázs, Hirka József: A duális fázisú és a TRIP acélok nagyüzemi kísérleteinek jelenlegi állása. DMGK 2004/4 szám. Takácsné Szabó Andrea: TRIP acélok metallográfiai vizsgálata. DMGK 2006/1 szám. Horváth Ákos, Sebõ Sándor, Verõ Balázs: Többesfázisú és TRIP acélok gyártása meleghengerléssel. BKL. 139.évf. 2006/3 szám. Verõ Balázs, Horváth Ákos, Kovács Mihály, Sebõ Sándor, Szélig Árpád, Kopasz László, Török Péter, Hirka József: A többes fázisú és TRIP acélok fejlesztésének eredményei OM NKFF 3A/0063/2002 Kutatás-fejlesztési jelentés. Tóth Tamás: Hidegen hengerelt finomlemezek fejlesztési kísérletei, Dunaferr Műszaki Gazdasági Közlemények 2003/2.
4.3. lecke: Martenzites és ausztenites acélok, lapos termékek jellemző bevonatai, szabott lapos termékek Cél: A lecke célja, hogy az olvasó megismerje a martenzites és az ausztenites acéltípusokat, az egyes acéltípusok fontosabb jellemzőit, és azt, hogy ezek hogyan hatnak az alkalmazás lehetőségeire. Az olvasó felismerje az összefüggést a jellemzők, elsősorban a szövetszerkezet és a mechanikai tulajdonságok között, valamint azt, hogy ezek milyen vegyi összetételbeli és gyártástechnológiai sajátosságokat követelnek meg. A leckében ismertetjük a hidegalakításra szánt lapos termékek jellemző bevonatait, tulajdonságait és azok szerepét. Bemutatjuk az egyre nagyobb szerepet kapó szabott lemeztermékek technológiáját és szerepét a járműgyártásban.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes • jellemezni a martenzites acéltípusokat, a szövetszerkezet és a mechanikai tulajdonságok alapján, • bemutatni a martenzites vázelemek gyártási technológiájának sajátosságait, • jellemezni az ausztenites acéltípusokat, a szövetszerkezet és a mechanikai tulajdonságok alapján, • felsorolni a hidegalakításra szánt lapos termékek fontosabb bevonatait, és azok szerepét, jellemzőit, • bemutatni a szabott lemezek gyártásának elvét, és szerepét a járműgyártásban.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 40 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak • • • • • • • •
martenzites acélok, alakítva edzés (hot forming, hot pressing, press hardening), TWIN vagy TWIP acélok, nagy Mn-tartalmú TRIP acélok, ausztenites acélok, ikerhatár képződése, ikresedés, hidegalakításra szánt lapos termékek bevonatai, szabott lemeztermékek.
Martenzites szövetszerkezetű acélok Tevékenység: Az F3. ábrán figyeljük meg a martenzites acélok alkalmazási területeit!
A martenzites szövetszerkezetű acélok az különösen nagy folyáshatárú acélok csoportjába tartozik, szövetszerkezetük túlnyomó részben martenzites. A szállítási állapotuk a további feldolgozás függvényében lehet ferrit-perlites vagy martenzites. A martenzites, nemesített állapotú lapostermékek korlátozott mértékben alakíthatóak. Belőlük az egyszerűbb alakú vázelemek gyárthatók, mint a lökhárító kereszttartója, ajtómerevítés, oldalkeret elemei, tető keresztmerevítés, padlólemez, és küszöb hosszmerevítései. Jellemzően olyan alkatrészek ezek, amelyeket görgős hajlítással gyártanak. A bonyolultabb alakú alkatrészek gyártására kifejlesztettek egy speciális eljárást (press hardening, hot forming, hot stamping), amely alakítva vagy sajtolva edzésként, esetleg melegen sajtolásként fordítható magyarra. Az eljárás lényege, hogy az ausztenites tartományba hevített munkadarabot vízzel hűtött mélyhúzó szerszámban sajtolják végleges alakra. A sajtolás alatt, a sajtoló nyomást fenntartva, a munkadarab anyagában lezajlik a martenzites átalakulás. Előnye, hogy bonyolultabb alakú, de teljesen martenzites szövetszerkezetű, és annak megfelelő, különlegesen nagy folyáshatárú vázelemek gyárthatók ezzel az eljárással. Mivel a munkadarabot melegen alakítják, és a zárt szerszámban hűl ki, a hidegen alakított elemekhez képest nem jelentkezik az alakítás utáni visszarugózás. A gépjárművekben elsősorban az A- és B-oszlop, padló- és tetőkeretmerevítések, szélvédőkeret, ajtómerevítések, lökhárító kereszttartója, műszerfalpanel keresztmerevítése készül sajtolva edzéssel. A martenzites szövetszerkezetű alapanyagokra a nagyobb Mn-tartalom (1,4–2,4%) jellemző, valamint néhány ezred %-ban B-ral mikroötvözött minőségek az átedzhetőség javítása érdekében. Jellemző minőség (de még nem szabványosított) a 22MnB5 jelű, vegyi összetétele a 4.3. táblázatban látható. A fontosabb mechanikai jellemzőit ferrit-perlites, ill. a sajtoló szerszámban edzett állapotban a 4.4. táblázat tartalmazza.
4.3. táblázat. A 22MnB5 acélminőség vegyi összetétele [1]. C Minimum Maximum
0.19 0.25
Si
0.40
P
0.025
S
0.015
Mn (%) 1.1 1.40
Al
Cr
Ti
B
0.02 0.06
0.15 0.25
0.020 0.050
0.0008 0.005
4.4. táblázat. A 22MnB5 acélminőség mechanikai tulajdonságai (tájékoztató adatok) ferrit-perlites, ill. alakítva edzett állapotban (ausztenitesítés 900°C–950°C -on, 5–10 percig, hűtés megfelelően hűtött szerszámban: hűtési sebesség > 50 °C/másodperc)[2]. Állapot
Re (N/mm2)
Rm (N/mm2)
Hengerlés utáni, ferrit-perlites Alakítva edzett
320 -550 1100
500 -700 1500
A80 (%) t < 3mm ≥ 10 6
A sajtolva és alakítva edző technológiának két típusát dolgozták ki. A közvetlen eljárás során a kivágott nyers lemezt alagútkemencében ausztenitesítik, amelynek hőmérséklete adja az alakítás hőmérsékletét. A felhevített munkadarabot behelyezik a vízzel hűtött alakító szerszámba, ahol egy lépésben megtörténik az alakadás és a munkadarab hőkezelése (l. 4.11. ábra).
4.11. ábra. A közvetlen alakítva edzés lépései [3]. Összetettebb alakú karosszériaelemek gyárthatók a közvetett eljárással. A közvetetten alakítva edzés kiegészül egy hideg mélyhúzással, majd ezután ausztenitesítik a darabot, és végzik el az alakítva edzést (l. 4.12. ábra).
4.12. ábra. A közvetetten alakítva edzés lépései [3]. Az alakítva edzésre szánt szalagok felületi állapota lehet bevonat nélküli és bevonatos is. A bevonat nélküli alapanyag hátránya, hogy az ausztenitesítés alatt revésedik, amely jobban koptatja az alakító szerszámot, és rontja a felület minőségét, ill. a felületi rétegből a karbon és az ötvözők kiégése jelentős lehet. A bevonat nélkül melegen formázott darabok beépítés és festés előtt tisztítást igényelnek. A technológia közbeni védelem és a felületi minőség javítására ezek a szalagok bevonatot kapnak. A legalkalmasabb bevonatok a Zn-Al és az AlSi bevonatok. Különösen alkalmas meleg formázásra az utóbbi bevonat, amely az ausztenitesítés és a formaadás hőmérsékletén részlegesen megolvad, így nemcsak a munkadarabot védi a revésedéstől, az ötvözők és a karbon kiégésétől, hanem a szerszámot is keni a megmunkálás közben. A megmunkálás után a bevonat pórusos lesz, így megfelelő alapot képez a további felületkezelésnek és festésnek. A 4.13. ábrán látható az alakítva sajtolás után kapott bevonat mikroszkópi képe. Az eredeti bevonat áll egy háromalkotós AlSi-Fe rétegből az acél és a bevonat határán, a külső bevonat pedig egy kétalkotós Al-Si ötvözetből. A meleg alakadás után jól látható a rétegek közötti diffúzió, amely egy jól tapadó és a további felületkezelésnek jó alapot adó Fe-Al-Si réteget jelent [4].
4.13. ábra. A bevonat mikroszkópi képe az alakítva edzés után [2]. A lézersugaras megmunkálások fejlődése járulhatott hozzá ahhoz, hogy az alakítva edző eljárás elterjedhetett. Ennek oka, hogy az alakítás után kapott alkatrész nagy keménységű, ezért a hagyományos forgácsoló eljárásokkal nem vagy csak nehezen és költségesen munkálható meg. A lézersugaras vágással viszont az alakítva edzett darabok utómunkálása (kivágások, körülvágások) megoldható, ezért az alakítva edzett karosszéria elemeket gyártó üzemeket sokszor lézersugaras megmunkáló üzemegységekkel is kiegészítik. A martenzites szövetszerkezetű acélok a többi csoporthoz viszonyítva nagyobb karbon egyenértékkel jellemezhetők. Hegeszthetőségük a hasonló vegyi összetételű acélokhoz közeli. Az autóiparban használt ellenálláshegesztési eljárásokkal jól hegeszthető, a szabványnak megfelelő minőségű kötések készíthetők. Alkalmas lézersugaras hegesztéssel gyártott szabott lemezek gyártására is (l. Szabott lapos termékek a járműgyártásban c. fejezet).
Nagy Mn-tartalmú részben vagy teljesen ausztenites acélok (TRIP, TWIN és TWIP) A nagy Mn-tartalom hatására, a Mn árányától függően, kétféle szövetszerkezetű acéltípusról beszélhetünk ebben a csoportban. Az egyik a ferrit-ausztenites szövetszerkezetű acélok, a másik típus a teljesen ausztenites acélok. A TWIN mozaikszó a Twinning, azaz ikresedés, a TWIP pedig a Twinning Induced Plasticity, azaz ikresedés keltette alakíthatóság kifejezésből ered. Az ikresedés, vagy ikerhatárok keletkezése a felületen középpontos kockarácsú (fkk) fémek képlékeny alakváltozásakor jellemző. A képlékeny alakváltozás a legkönnyebben a legsűrűbb illeszkedésű síkok mentén indul meg. Az fkk fémek nagymértékű alakíthatósága elsősorban annak köszönhető, hogy ebben a rácsban négy egymással nem párhuzamos, legsűrűbb illeszkedésű sík található meg. A képlékeny alakváltozás nemcsak a diszlokációk mozgásához kapcsolható jelenség, hanem a jól alakítható fkk rácsokban a rácssíkok rétegződési hibáját, azaz ikersíkok képződését is okozza [5]. A rácssíkok rétegződése az ikerhatárra tükörszimmetrikus lesz. A 4.14. ábra vázlatosan bemutatja, hogy egy nyíró feszültség hatására létrejövő transzláció hogyan hozza létre az ikerhatárokat és a rétegződési hibát.
4.14. ábra. Ikerhatár és rétegződési hiba kialakulása nyíró feszültség okozta transzláció hatására [6]. Az ikresedés jelensége a diszlokáció mozgásokkal és halmozódásokkal együtt nagymértékű alakíthatóságot és felkeményedést kölcsönöz az fkk rácsú fémeknek, mivel az ikerhatárok is a szemcsehatárokhoz hasonlóan fejtik ki hatásukat, és növelik a szilárdságot. Az Fe felületen középpontos kockarácsú módosulata a γ-Fe, szövetelemi nevén az ausztenit is mutat ilyen jelenséget. Az ausztenit stabilitásának tartományát például nagy Mntartalommal lehet kiterjeszteni szobahőmérsékletre. 3% Mn-tartalom felett szobahőmérsékleten az α-Fe fázis mellett már stabilan megjelenik a γ-Fe is. Gyors lehűlés esetében már 10% Mn-tartalomnál és e fölött a szövet már szobahőmérsékleten is tisztán ausztenites [6]. A nagy Mn-tartalmú acélok tehát vagy tisztán ausztenitesek, vagy összetett fázisú acélok jelentős ausztenittartalommal. TWIP acélok jellemzően 17–20% mangánt tartalmaznak. Az ausztenites acéloknál a nagy felkeményedést az ikresedésen és a diszlokációsűrűség növekedésén túl a TRIP-hatás is okozza, azaz a képlékeny alakváltozás hatására az ausztenit részben martenzitté alakul. Ennek megfelelően az újabb fejlesztésekben a 15–25% Mn-t tartalmazó acélokat is két csoportra lehet felosztani, a nagy Mn-tartalmú TRIP és TWIP acélokra [7]. A TWIP acélokra jellemző a nagy alakíthatóság és a nagy felkeményedés. Az alakítás hatására folyáshatáruk és szakítószilárdságuk elérheti az különösen nagy folyáshatárú acélok szilárdságát. A TWIP acélok megtestesítik azt a fejlesztési irányt, amely az acélokkal szemben a nagy szilárdság és mellette a nagy alakíthatóság követelményét támasztja (l. 4.15. ábra).
4.15. ábra. A TWIP acélok elhelyezkedése a többi acélcsoporthoz viszonyítva a kívánt fejlesztési tartományban van [8]. A jelentős alakíthatósági tartalék, a nagy szilárdság és felkeményedés eredményezi, hogy nagy energiaelnyelő képességgel rendelkeznek, amely a gépjárműváz gyűrődő elemeinek fontos követelménye. A TWIP acélok hátránya a nagy ötvözőtartalom miatt a többi acélhoz viszonyított nagyobb költségükben van.
Hidegalakításra szánt lapostermékek jellemző bevonatai Tevékenység: A 4.5. táblázatban figyelje meg, hogy melyik két legfontosabb bevonatoló eljárást alkalmazzák az alapanyaggyártók! A hidegalakításra szánt lapostermékek (lemezek, szalagok) szállítási állapota lehet bevonat nélküli, de a felhasználók igényének megfelelően, a legtöbb gyártómű rendelkezik bevonatoló technológiai sorral. A bevonat elsődleges célja a korrózióvédelem, ill. megfelelő alapot adjon a végleges felületkezelésnek (festés stb.). A félkész lapostermék a felhasználónál további technológiai lépéseken: mélyhúzás, hajlítás, kivágás, ponthegesztés stb. megy keresztül, így nem elhanyagolható kérdés, hogy a bevonat és a technológia hogyan hat egymásra. Ennek megfelelően a bevonatokkal szembeni fontosabb követelmények: • jó tapadás, pl. mélyhúzásnál sem válik el, • ne repedezzen meg az alakítási technológia alatt, • a lemezhegesztési eljárásokban (pont-, vonalhegesztés stb.) az átolvadást ne akadályozza, ne szennyezze a kötést, • megfelelő alapja legyen a további bevonatoknak. A bevonatok tulajdonságaira, mint tapadás, vastagság, felületi minőség, érdesség, porozitás, stb. jelentős hatással van az alkalmazott bevonatolási eljárás. A fontosabb tulajdonságokat, különbségeket általában tartalmazzák a gyártói adatlapok. A gyártók általában kétféle fontosabb eljárást alkalmaznak, a tűzi mártó és a galvanikus eljárásokat. Ezeket egészíthetik
ki egyéb kezelések, mint a diffúziót aktiváló hőkezelések, melyek a bevonat tapadását az alapfémhez és vegyi összetételét módosítják. A bevonatok az acéltermék jelölésében is szerepelnek, az acéltermékre jellemző kiegészítő jelben, amelyet egy + jelöléssel választanak el a főjeltől (pl.: HC340LA+ZE). A fontosabb bevonatok láthatók a következő táblázatban.
4.5. táblázat. Hidegalakításra szánt lapostermékek fontosabb bevonatai és jelölésük Kiegészítő jel +Z +ZE +ZF +ZA +ZN
Bevonat tűzi mártó eljárással horganyzott elektrolitikus galvanizálással horganyzott Zn-Fe bevonat tűzi mártó eljárással, majd hőkezeléssel Zn-Al bevonat Zn-Ni bevonat elektrolitikus galvanizálással
A bevonatok minősége szempontjából ki kell emelni a szilíciumot, mivel a nagy szilícium tartalom hátrányos hatással van az acélok tűzihorganyozhatóságára, melegalakítás esetén a felületi minőségre [9]. A szilícium helyettesítésére a foszfor az egyik alkalmas ötvöző.
Szabott lapostermékek a járműgyártásban Az acél alapanyagok fejlesztése jelentősen megnövelte a gépjárművekben alkalmazott acélminőségek számát. A gépjármű vázelemeivel szemben támasztott követelmények (szerepe, anyagjellemzői, technológiai követelmények, stb.) is számosak. Kézenfekvő megoldásként jelentkezett a szabott lapostermékek, szabott lemezek előállítása, amely abban segít, hogy a kiválasztott karosszéria- vagy vázelem a követelményeknek megfelelő alapanyagot kapjon. Ha a gépjárművet a követelményeknek megfelelően osztanánk elemekre, és a megfelelő alapanyagot választanánk ki hozzá, akkor fennáll annak a veszélye, hogy az elemek és az alkalmazott anyagminőségek száma túl nagy lesz, ez pedig a gyártási költségeket növeli meg. A szabott lapostermékekkel úgy lehet növelni a tervezett követelmények és anyagminőségek számát, hogy a gyártás egyszerűsége és költséghatékonysága ésszerű határok között marad. A szabott lemezek több, eltérő lemezvastagságú, anyagminőségű és felületi bevonatú lemezből, lézersugaras hegesztéssel egyesített lapos termékek (l. 4.16. ábra), amelyeket további alakadó technológiához, mint pl. mélyhúzáshoz, lyukasztáshoz, körülvágáshoz gyártanak. A lézersugaras hegesztés előnye a szép hegesztési varrat, és a hegesztési vonal programozhatósága, a technológia jó automatizálhatósága.
4.16. ábra. Szabott lemezek gyártása. Nem ritka, hogy teljes gépjárműváz egységeket gyártanak a szabott lemezek eljárásával, majd mélyhúzással alakítják ki a végleges formát (l. 4.17. ábrát).
4.17. ábra. Szabott lemezekből lézersugaras eljárással hegesztett, majd mélyhúzott gépjármű oldalpanel [10]. Önellenőrző kérdések Ö1. Kérdés: Miért terjedt el az alakítva edzés a martenzites szövetszerkezetű acélok esetében? Utómunkálás szempontjából mi a hátránya az eljárásnak? A martenzitesen szállított lemeztermékek csak korlátozottan alakíthatók, bonyolult alakú, összetett alakítást igénylő alkatrészek nem gyárthatóak belőle. A nagy folyáshatár miatt az alakítás utáni visszarugózásuk is jelentős. A melegen sajtolt alkatrészeknél ezek a hátrányok nem jelentkeznek. Az alakítás után kapott alkatrész nagy keménységű, ezért a hagyományos forgácsoló eljárásokkal nem vagy csak nehezen és költségesen munkálható meg. A lézersugaras vágással viszont az alakítva edzett darabok utómunkálása (kivágások, körülvágások) megoldható.
Ö2. Feladat: Fogalmazza meg az alakítva vagy sajtolva edzés eljárásának lényegét! Az eljárás lényege, hogy az ausztenites tartományba hevített munkadarabot vízzel hűtött mélyhúzó szerszámban sajtolják végleges alakra. A sajtolás alatt, a sajtoló nyomást fenntartva, a munkadarab anyagában lezajlik a martenzites átalakulás.
Ö3. Kérdés: Mi a különbség a közvetlen és a közvetett sajtoló edzés eljárása között? A közvetlen eljárás során a kivágott nyers lemezt alagútkemencében ausztenitesítik, amelynek hőmérséklete adja az alakítás hőmérsékletét. A felhevített munkadarabot behelyezik a vízzel hűtött alakító szerszámba, ahol egy lépésben megtörténik az alakadás és a munkadarab hőkezelése. A közvetetten alakítva edzés kiegészül egy hideg mélyhúzással, majd ezután ausztenitesítik a darabot, és végzik el az alakítva edzést.
Ö4. Kérdés: Mi a szerepe a bevonatnak a sajtoló edzés folyamatában? A bevonat megvédi a munkadarabot a revésedéstől, az ötvözők és a karbon kiégésétől, a szerszámot keni a megmunkálás közben. A megmunkálás után a bevonat pórusos lesz, így megfelelő alapot képez a további felületkezelésnek és festésnek.
Ö5. Kérdés: Milyen kétféle szövetszerkezettel rendelkezhetnek a nagy Mn-tartalmú acélok? Az egyik acéltípus a ferrit-ausztenites szövetszerkezetű acélok, a másik típus a teljesen ausztenites acélok.
Ö6. Kérdés: Mit jelent a TWIP mozaikszó? Az ikresedés keltette alakíthatóság kifejezésből ered. Az ikresedés, vagy ikerhatárok keletkezése a felületen középpontos kockarácsú fémek, mint pl. az ausztenit képlékeny alakváltozásakor jellemző.
Ö7. Kérdés: Milyen lehetőség rejlik az ausztenites acélokban a mechanikai tulajdonságaik alapján? Az ausztenites acélokra jellemző a nagy alakíthatóság és a nagy felkeményedés. Megtestesítik azt a fejlesztési irányt, amely az acélokkal szemben a nagy szilárdság és mellette a nagy alakíthatóság követelményét támasztja. A jelentős alakíthatósági tartalék, a nagy szilárdság és felkeményedés eredményezi, hogy nagy energiaelnyelő képességgel rendelkeznek, amely a gépjárműváz gyűrődő elemeinek fontos követelménye.
Ö8. Kérdés: Melyek a bevonatokkal szemben támasztott fontosabb követelmények? A fontosabb követelmények: • jó tapadás, pl. mélyhúzásnál sem válik el, • ne repedezzen meg az alakítási technológia alatt, • a lemezhegesztési eljárásokban (pont-, vonalhegesztés stb.) az átolvadást ne akadályozza, ne szennyezze a kötést, • megfelelő alapja legyen a további bevonatoknak.
Ö9. Kérdés: Milyen két fontosabb eljárást alkalmaznak az alapanyaggyártók a bevonatok felvitelére? A gyártók általában kétféle fontosabb eljárást alkalmaznak, a tűzi mártó és a galvanikus eljárásokat.
Ö10. Kérdés: Hogyan jelenik meg a bevonat típusa az acél jelölésében?
A bevonatok az acéltermék jelölésében az acéltermékre jellemző kiegészítő jelben szerepelnek, melyet egy + választ el a főjeltől (pl.: HC340LA+ZE).
Ö11. Kérdés: Mit jelent a szabott lapostermékek gyártása? A szabott lemezek több, eltérő lemezvastagságú, anyagminőségű és felületi bevonatú lemezből, lézersugaras hegesztéssel egyesített lapos termékek, amelyeket további alakadó technológiához, mint pl. mélyhúzáshoz, lyukasztáshoz, körülvágáshoz gyártanak. A lézersugaras hegesztés előnye a szép hegesztési varrat, és a hegesztési vonal programozhatósága, a technológia jó automatizálhatósága.
Ö12. Kérdés: Milyen előnyös szerepe van a szabott lapos termékek beillesztésének a járműváz gyártási technológiai rendszerébe? A szabott lapostermékekkel úgy lehet növelni a tervezett követelmények és anyagminőségek számát, hogy a gyártás egyszerűsége és költséghatékonysága ésszerű határok között marad.
Felhasznált irodalom: [1]
Boron steel 22MnB5, Product Description, Ruukki, www.ruukki.com
[2]
ArcelorMittal: Extract from the product catalogue, www.arcelormittal.com
[3]
AutoForm Engineering GmbH, http://www.autoform.com/en/glossary/hot-forming/
[4]
Eva Schmidová, Petr Hanus, Weldability of Al-Si Coated High Strength Martensitic Steel. Periodica Polytechnica Transportation Engineering, Vol. 41, No. 2, pp. 127-132, 2013. DOI: 10.3311/PPtr.7113
[5]
Verő J., Káldor M., Fémtan, Nemzeti Tankönyvkiadó (1996)
[6]
W.D. Callister, Jr. and D.G. Retwisch, Material Science and Engineering: An Introduction, 8th ed., Wiley (2010)
[7]
Mahmoud Y. Demeri: Advanced High-Strength Steels: Science, Technology, and Applications, ASM International (2013)
[8]
J. Zrnik et al.: Recent progress in high strength low carbon steels, Comtes FHT, Ltd., Plzen, Czech Republic, ISSN 0543-5846, METABK 45 (4) (2006), pp. 323-331
[9]
Wolfgang Bleck, Andreas Frehn, Joachim Ohlert: Phosphorus in Dual Phase and TRIP steels, Department of Ferrous Metallurgy Aachen University of Technology, p. 42
[10] M. Geiger és T. Nakagawa alapján Serope Kalpajian, Steven R. Schmid: Manufacturing Engineeering and Technology, Prentice Hall (2001)
Modulzáró kérdések: M1. Feladat: Az F1. táblázat és a Lillet-diagram felhasználásával jellemezze az IF acélok alakíthatóságát, és ennek megfelelően alkalmazási területeit! A táblázatból kiolvasható, hogy rmin= 1,4 és nmin= 0,17. A Lillet-diagram alapján ezek az alapanyagok az alábbi tartományokat fedik le:
I.: kiváló minőségű, komplex alakításra alkalmas lemezek (jól nyújtható és jól mélyhúzható lemezek), II.: elsősorban mélyhúzásra alkalmas lemezek (kevésbé vékonyodnak). Így olyan váz- és karosszériaelemek gyárthatók belőlük, amelyek bonyolultabb alakkal rendelkeznek, és ezért egy összetettebb alakítási műveleteket, elsősorban mélyhúzást, igényelnek.
M2. Feladat: Az F1. táblázat és a Lillet-diagram felhasználásával hasonlítsa össze a BH és az IF acélok alakíthatóságát! Hogyan függ össze ez az alkalmazásokkal? Az IF acélokhoz képest kisebb r és n érték jellemzi a BH acélokat, de így is jól mélyhúzható alapanyagok a BH acélok. Így főleg mélyhúzási alakítást igénylő alakítási műveleteknél előnyös az alkalmazása, mint a karosszéria burkoló elemei. Mindezek mellett, a BHhatásnak köszönhetően, nagyobb végső szilárdság érhető el az IF acélokhoz viszonyítva.
M3. Feladat: Milyen feltételek mellett jelenik meg egy acélnál jelentős BH-hatás? 1. Egy minimális előalakítás szükséges, amely a diszlokációk sűrűségét növeli meg, 2. megfelelő koncentrációban jelen kell lennie diffúzióképes, intersztíciós atomoknak (C és N), 3. hőhatással aktiválni kell ezen atomok diffúzióját.
M4. Feladat: Jellemezze a Lillet-diagram és az F1. táblázat alapján az IS acélminőségek alakíthatóságát! Az IS acélminőségek jelentős keményedési tulajdonsággal rendelkeznek. Az r értékére, a többi acéllal ellentétben, viszont felső határt (rmax=1,4) adtak meg. Így ezek a minőségek elsősorban a jól nyújtható minőségek közé tartoznak.
M5. Kérdés: Mit jelent a többfázisú kifejezés? Miben különböznek a többfázisú acélok a mikroötvözött, növelt szilárdságú acéloktól? A többes fázis elnevezést a nemzetközi irodalomból vette át a szakma, de amikor az említett acélok szövetszerkezetét tárgyaljuk (pl. a CP acélok ferrit-bénit-martenzites szerkezete), akkor valójában nem fázisokról, hanem szövetelemekről beszélünk (néhány esetben a fázis és a szövetelem, mint pl. a ferrit, maradék ausztenit vagy a martenzit esetében megegyezik, mivel ezek homogén szövetelemek, de a bénit kétfázisú, inhomogén szövetelem). Többfázisú acélok szilárdságnövelésének lényege a nemegyensúlyi szövetelemek megjelenésében van. A mikroötvözött, növelt szilárdságú acélok túlnyomóan ferrites szövetszerkezetűek. A többfázisú acélok szövetszerkezetét a nem egyensúlyi szövetelemek megjelenése jellemzi, mint a bénit, martenzit és a maradék ausztenit.
M6. Feladat: Az F3. ábrán figyelje meg a többfázisú acélok alkalmazási területeit! A többfázisú acélok mechanikai tulajdonságai alapján magyarázza ezt! A nagy elérhető folyáshatár miatt a többfázisú acélokat általában a járműváz szilárdsága, merevsége szempontjából meghatározó elemek (hossz- és kereszttartók, merevítések), a nagyobb kifáradási határt igénylő elemek (futómű elemei) alapanyagául szokták választani. Mivel a HSLA acélokhoz képest nagyobb alakíthatósággal és felkeményedéssel
rendelkeznek, bonyolultabb, összetettebb alakítást igénylő alkatrészek gyárthatók belőlük. A biztonság szempontjából fontosabb elemeknek, elsősorban a nagy folyáshatár miatt az utastér merevségéért felelő elemeknek (oszlopok, tetőív, padlólemez kereszt. és hosszmerevítések, ajtómerevítések), valamint a nagyobb alakíthatóság és felkeményedés (nagy energiaelnyelő képességük) miatt a gyűrődő zóna elemeinek ideális alapanyagai.
M7. Feladat: A 4.7. ábra alapján magyarázza meg, hogy a többfázisú acélok miért rendelkeznek nagyobb alakváltozási energiaelnyelő képességgel, mint a HSLA acélok? (Miért alkalmasabbak a gyűrődő zóna alkatrészeihez?) A 4.7. ábrán azonos folyáshatárú acélok mérnöki feszültség–megnyúlás diagramja látható. Jól látható, hogy a többfázisú acélok szakítószilárdsága nagyobb az azonos folyáshatárral rendelkező HSLA acélokhoz képest. Ez azt jelenti, hogy a többfázisú acéloknak általában kisebb a folyáshatár és szakítószilárdság aránya, azaz nagyobb a felkeményedési kitevőjük, így nagyobb a felkeményedés az alakváltozás során. Ez például nagyobb elnyelt energiát jelent egy gyűrődő hossztartónál. (A feszültség-megnyúlás diagram alatti terület arányos a próbatest elszakításához felhasznált energiával.)
M8. Feladat: Az F3. ábrán figyelje meg a martenzites acélok alkalmazási területeit! A mechanikai tulajdonságai alapján magyarázza ezt! Az különösen nagy folyáshatár miatt a martenzites acélokat általában a járműváz szilárdsága, merevsége szempontjából meghatározó elemek (oszlopok, hossz- és kereszttartók, merevítések), valamint az utastér merevségéért felelő elemek (A- és Boszlopok, tetőkeret merevítések, szélvédőkeret, padlólemez kereszt- és hosszmerevítések, ajtómerevítések) gyártásához választják.
M9. Feladat: Írja le, hogy milyen típusú acélokat takarnak a következő jelölésű acélok, és a 4.5. táblázat alapján adja meg, hogy milyen bevonattal szállítják ezeket: HCT450X+ZE, HX260BD+Z, HX260YD+ZF! HCT450X+ZE: kettős fázisú acél (450 MPa minimális szakítószilárdsággal), elektrolitikus galvanizálással horganyzott, HX260BD+Z: lakkbeégetésre keményedő acél (hengerlési állapot nincs előírva, előírt minimális folyáshatár 260 MPa), tűzi mártó eljárással horganyzott, HX260YD+ZF: intersztíciós szennyezőktől mentes acél (hengerlési állapot nincs előírva, előírt minimális folyáshatár 260 MPa), Zn-Fe bevonat tűzi mártó eljárással, majd hőkezeléssel.
F1. táblázat. Mikroötvözött, hidegen hengerelt, növelt folyáshatárú lapostermékek hidegalakításra [Becker, Ruukki, ISD Dunaferr adatlapjai alapján]. Jelölés EN 10268
HC180Y
Re 2 (N/mm )
180– 230
Mechanikai tulajdonságok BH2 Rm A80 r 2 2 (N/mm ) (N/mm ) (%) min. min max. . – 340– 400 36 –
min.
C (%) max.
Si (%) max
Vegyi összetétel előírások Mn P S Al (%) (%) (%) (%) max. max. max. min.
0.19
0.01
0.30
0.70
0.06
0.025
0.010
0.12
–
r
n
min. 1.7
Ti (%) max.
Nb (%) max.
HC220Y
220– 270
–
350– 420
34
–
1.6
0.18
0.01
0.30
0.90
0.08
0.025
0.010
0.12
–
HC260Y
260– 320
–
380– 400
32
–
1.4
0.17
0.01
0.30
1.60
0.10
0.025
0.010
0.12
–
HC180P
180– 230
–
280– 360
34
–
1.6
0.17
0.05
0.40
0.60
0.08
0.025
0.015
–
–
HC220P
220– 270
–
320– 400
32
–
1.3
0.16
0.07
0.50
0.70
0.08
0.025
0.015
–
–
HC260P
260– 320
–
360– 440
29
–
–
–
0.08
0.50
0.70
0.10
0.025
0.015
–
–
HC300P
300– 360
–
400– 480
26
–
–
–
0.10
0.50
0.70
0.12
0.025
0.015
–
–
HC180B
180– 230
35
300– 360
34
–
1.6
0.17
0.05
0.50
0.70
0.06
0.025
0.015
–
–
HC220B
220– 270
35
320– 400
32
–
1.5
0.16
0.06
0.50
0.70
0.08
0.025
0.015
–
–
HC260B
260– 320
35
360– 440
29
–
–
–
0.08
0.50
0.70
0.10
0.025
0.015
–
–
HC300B
300– 360
35
400– 480
26
–
–
–
0.10
0.50
0.70
0.12
0.025
0.015
–
–
HC220I
220– 270
–
300– 380
34
1.4
–
0.18
0.07
0.50
0.50
0.05
0.025
0.015
0.05
–
HC260I
260– 310
–
320– 400
32
1.4
–
0.17
0.07
0.50
0.50
0.05
0.025
0.015
0.05
–
HC300I
300– 350
–
340– 440
30
1.4
–
0.16
0.08
0.50
0.70
0.08
0.025
0.015
0.05
–
HC260LA
260– 330
–
350– 430
26
–
–
–
0.10
0.50
0.60
0.025
0.025
0.015
0.15
–
HC300LA
300– 380
–
380– 480
23
–
–
–
0.10
0.50
1.00
0.025
0.025
0.015
0.15
0.09
HC340LA
340– 420
–
410– 510
21
–
–
–
0.10
0.50
1.10
0.025
0.025
0.015
0.15
0.09
HC380LA
380– 480
–
440– 560
19
–
–
–
0.10
0.50
1.60
0.025
0.025
0.015
0.15
0.09
HC420LA
420– 520
–
470– 590
17
–
–
–
0.10
0.50
1.60
0.025
0.025
0.015
0.15
0.09
HC500LA
500– 620
–
550– 710
13
–
–
–
0.14
0.60
1.80
0.025
0.025
0.015
0.15
0.09
Y: IF acél
P: foszforötvözésű
B: BH acél
I: IS acél
LA: alacsonyan ötvözött (mikroötvözött)
F2. táblázat. Többfázisú, hidegen hengerelt lapostermékek hidegalakításra [Becker adatlapja alapján] Jelölés EN 10338
Re 2 (N/mm )
Mechanikai tulajdonságok BH2 Rm A80 2 2 (N/mm ) (N/mm ) (%) min. min. min.
min.
C (%) max.
Si (%) max.
Mn (%) max.
Vegyi összetétel előírások P S Al Cr+Mo (%) (%) (%) (%) max. max. max. max.
n
Nb+Ti (%) max.
V (%) max.
B (%) max.
HCT450X
260-340
30
450
27
0.16
0.140
0.800
2.000
0.080
0.015
2.00
1.00
0.15
0.20
0.005
HCT500X
300-380
30
500
23
0.15
0.140
0.800
2.000
0.080
0.015
2.00
1.00
0.15
0.20
0.005
HCT600X
340-420
30
600
20
0.14
0.170
0.800
2.200
0.080
0.015
2.00
1.00
0.15
0.20
0.005
HCT780X
450-560
30
780
14
–
0.180
0.800
2.500
0.080
0.015
2.00
1.00
0.15
0.20
0.005
HCT980X
600-750
30
980
10
–
0.230
0.800
2.500
0.080
0.015
2.00
1.00
0.15
0.20
0.005
HCT690T
430-550
40
690
23
0.18
0.320
2.200
2.500
0.120
0.015
2.00
0.60
0.20
0.20
0.005
HCT780T
470-600
40
780
21
0.16
0.320
2.200
2.500
0.120
0.015
2.00
0.60
0.20
0.20
0.005
HCT600C
350-500
30
600
16
–
0.180
0.800
2.200
0.080
0.015
2.00
1.00
0.15
0.20
0.005
HCT780C
500-700
30
780
10
–
0.180
0.800
2.200
0.080
0.015
2.00
1.00
0.15
0.20
0.005
HCT980C
700-900
30
980
7
–
0.230
0.800
2.200
0.080
0.015
2.00
1.20
0.15
0.22
0.005
X: DP acél T: TRIP acél C: CP acél
F1. ábra. Néhány mikroötvözött, hidegen hengerelt, növelt folyáshatárú acél alakíthatósági határdiagramja 1 mm-es lemezvastagségra [ArcelorMittal termékadatlapjai alapján].
F2. ábra. Többfázisú acélok alakíthatósági határdiagramjai (CP és TRIP esetén 1,5 mm-es lemezvastagságra) [ArcelorMittal termékadatlapjai alapján].
forrás: ThyssenKrupp Steel Europe
forrás: H. Mohrbacher, Niobium Products Company GmbH
forrás: Lotus Engineering és Toyota
forrás: Adam Opel GmbH
F3. ábra. Anyagválasztási elképzelések gépjárműváz elemei részére
