Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Nagyszilárdságú TRIP-acélok hegesztett kötéseinek vizsgálata OROSZ CSABA
Anyagtudomány és Technológia
ÁEF Anyagvizsgáló
Tanszék
Laboratórium Kft.
Az előadás fő pontjai Bevezetés A
TRIP acélok jellemzői A TRIP acélok hegesztési problémái Eddigi vizsgálati eredmények Az eredményekből levonható következtetések További vizsgálatok AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
BEVEZETÉS A TRIP acélok, nagyszilárdságú acélok Szakítószilrdság, Mpa
Nyúlás, %
A NAGYSZILÁRDSÁGÚ ACÉLOK TIPIKUS FELHASZNÁLÁSA AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
A nagyszilárdságú acélok tipikus alkalmazása a karosszéria elemek
Alapanyag típusok:
Porsche Cayenne – karosszéria elemek (Forrás: www.thyssen-krupp-stahl.com) AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Tipikus TRIP acél felhasználás (Forrás: www.thyssen-krupp-stahl.com)
Belső panel
Merevítő elem
Anyagvastagság:
Anyagvastagság:
1.5 mm/ 0.06”
1.0 mm/ 0.04”
TRIP700
TRIP700
Porsche Cayenne – B – oszlop: TRIP acél AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
A TRIP acélok gyártása hőmérséklet
Az ún. többes fázisú szövetet interkritikus lágyítás hőmérsékletéről végzett lépcsős lehűtéssel érhetjük el. A melegszalag utolsó szúrása, vagy a hidegszalag felhevítése után az A1 és az A3 hőmérsékletek között meghatározott idejű hőntartás – interkritikus hőkezelés – hatására 50/50% ausztenit/ferrit szövetszerkezet jön létre. Ezt követően olyan hűtési sebességgel kell az acélt a bénites mező tartományára (350 – 500 °C) lehűteni, hogy a perlites átalakulás tartományát el lehessen kerülni. Ez a hűtési sebesség 15 – 32 °C/s lehet az acél összetételétől függően. Majd a bénites tartományban 3 – 10 percig állandó hőmérsékleten kell tartani az anyagot. Ezt követi egy viszonylag lassú – 3 – 8 °C/s sebességű – szobahőmérsékletre való lehűtés. Az interkritkus hőkezeléskor keletkező szövet két fázisának arány részben a hőmérséklettől, részben az azt megelőző szövetszerkezettől, továbbá a hőkezelés idejétől függ. Az interkritikus hőkezelést megelőző szövet ugyanis az alkalmazott technológiától függően kétféle lehet. Amennyiben a hőkezelést megelőző hőmérséklet az A3-nál jóval nagyobb, a kiinduló szövet tiszta, homogén ausztenitből áll. Ha ilyen acél az interkritikus tartományba kerül, az átalakulás a ferrit kiválással kezdődik, ami viszonylag lassú folyamat. Ez esetben az egyensúlyi állapotnak megfelelő ausztenit viszonylag homogén a karbontartalom eloszlásának vonatkozásában. Ez az eset akkor áll elő, ha az interkritikus hőkezelést melegalakítás előzi meg. AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Tipikus kémiai összetétel Vizsgált TRIP 700 acéllemezek kémiai összetétele Gyártó
Ötvöző
Thyssen TRIP700 tömeg % Dunaferr
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
C
Mn
Si
Al
P
S
0,28
1,41
0,28
1,08
0,016
0,001
0,2
1,7
0,35
0,5
0,112
0,008
Orosz Csaba
Mechanikai tulajdonságok
Acél
Folyáshatár [MPa]
Szakítószilárdság [MPa]
Átlagos szakadásinyúlás [%]
DUNAFERR
332 451
792
28,3
THYSSEN TRIP 700
539
751
28
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Röntgen diffrakciós szerkezeti vizsgálat Ferrites mátrix + [maradék ausztenit ⇒ martenzit] Az alakváltozás hozza létre az átalakulást az alakítás során 16000
(110)tkk
Intensity
12000
8000
lkk
lkk
lkk
lkk
4000
(220) tkk (220)tkk
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
0 40
Orosz Csaba 60
(220)tkk
80
100
(311) tkk
120
A TRIP acél szilárdságnövelésében az AlN fázisok is részt vesznek
(Alapanyag, 100.000 x nagyítás) AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
50nm
Orosz Csaba
A TRIP acél tipikus hegesztési feladatai és nehézségei
ACÉLMŰ: Tekercsek végtelenítése - cink bevonatos tekercsek végtelenítése: nehéz ömlesztő hegesztéssel varratot készíteni ELŐGYÁRTÁS: Hegesztés sajtolás ELŐTT – geometriai és metallurgiai bemetszések jelenléte JÁRMŰ ÖSSZESZERELŐ ÜZEM: Hegesztés sajtolás UTÁN – rideg kötések jönnek létre JAVÍTÁS: Hegesztés/újrahevítés a sérült részeken – javíthatósági határ.
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
AWI ívpont-hegesztés 90% Ar - 10% N összetételű védőgázban argonvédőgázas volfram-elektródos ívpont hegesztéssel készített minta elektronmikrószkópos felvételén jól látható a dendritágas szerkezet kialakulása.
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
TIG ívpont-hegesztés, a védőgázba N2 bekeveréssel 700
Hardness, HV 500g
600 500 400 300 200 100 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
Distance across Weld AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Csaba 100 % Ar Orosz90Ar+10%N
50Ar +50 N
23
25
27
Varratfém, oszlopos elsődleges kristályosodás, nagy blokkolt diszlokáció s űrűs é g
TEM, 50.000 x
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
200nm
Orosz Csaba
Ellenállás ponthegesztés A varrat határvonala mentén detektált repedés védőgáz atmoszféra nélkül hegesztett mintán keletkezett
Keresztmetszet AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Penetrációs vizsgálat Orosz Csaba
Kristályosodási repedés az ellenállás ponthegesztéssel készített varratban
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Nyíró – szakító vizsgálat, a nitrogén itt is ridegebbé tette a kötést
50% Ar+50% N
9.4 kN 75 MPa 4 mm dia AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
ARGON
A nyíró – szakító vizsgálati eredmények is arra engednek következtetni, hogy a nitrogén hatása a mechanikai tulajdonságra nem elhanyagolható. Tisztán argon védőgáz atmoszférában ellenállás ponthegesztéssel készített kötésnél a hőhatásövezetben indul el a „kigombolódás”, míg a nitrogén jelenlétében készült kötésnél a varraton keresztűl halad a törés.
11.43 kN 91 MPa 4 mm dia Orosz Csaba
Nitrogén hatása a keménységre, ellenállás ponthegesztésnél 700 600 500
Varratban mérve
400 300 200 100 0 Alapanyag
100%Ar
90Ar/10N HV 10
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
50Ar/50N
Ellenállás ponthegesztés különböző Ar+N2 atmoszférában A darabok igen erős bemágneseződése volt tapasztalható a hegesztés során. Ezt a tulajdonságot az acéllemezből készült edénynek tulajdonítottuk.
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Alumínium készülékben is bemágneseződtek a darabok Az acéllemez helyett alumíniumból készítettünk a védőgázatmoszféra biztosítására új edényt. Az új kísérletek során a mágneses tulajdonság, mint az előző esetben kimutatható volt.A bemágneseződés a TRIP acélok tulajdonsága, sok probléma forrása lehet. Ezért ennek a tulajdonságnak külön kísérletsorozatot kell szentelni, ahol a TRIP – acél mágneses tulajdonságaira valamint felmágneseződésének elkerülésére megoldást kaphatunk.
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Feltételezés: a TRIP acéloknál nem csak edződési repedés jön létre
Feltételezés: az oldott gázok is szerepet játszanak a repedésekben, mert erősen hatnak a fázisok stabilitására, a kristályosodási folyamatokra és a varrat ridegedésére Ez a gáz a nitrogén Kihívás: Nehéz elkülöníteni a Nitrogén/fém reakciót az Oxigén és a Hidrogén hatásától – Nehéz elkülöníteni a Nitrogen/fém reakciókat a hegesztésnél 1) az ív plazmában-, 2) a folyékony acélban- és 3) a hőhatás övezetben.
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Miért éppen nitrogén (N2) gáz?
Természetes gáz (78 % a levegőben), jelen van az aminosavakban és az élő anyagokban Színtelen, szagtalan, íztelen kétatomos gáz, normál állapotban inert gáz, 925 °C -ig A N2 63 K – en cseppfolyós, a legáltalánosabb kriogén gáz Széles körben ismertek a hidrátjai, mint az ammónia NH3; az oxidjai N20 a „nevettető gázban”, gyakori az élelmiszeripari alkalmazás, és N2O5 a robbanó anyagokban
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
A nitrogén oldódása a különböző fázisokban A nitrogén oldódását a Siewert – törvény írja le:
%N 188 log[ ] folyadék = − − 1.24 T pN 2
%N 450 ]ausztenit = log[ − 1.95 T pN 2
%N 1540 ] ferrit = − log[ − 1.02 T pN 2
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
A nitrogén oldódása a hőmérséklet függvényében N oldódása az acélban Ausztenitben 5,000
N, %
4,000 3,000
N,% (p=0,8) N,% (p=0,5) N,% (p=0,1)
Folyadék fázisban
2,000 1,000 0,000 0
Ferritben
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
2000
4000
6000
Hőmérséklet, K
Orosz Csaba
Ahol p=0,8 a levegőn történő oldódást, a p=0,5 ill. a p=0,1 az 50% ill a 10% nitrogén tartalmat jelenti argon/nitrogén védőgáz atmoszférában
A nitrogén diffúziójának modellezése (s =1,2 mm) Diffusion depth in austenite structure 0,6 Depth, mm
0,5 0,4 x, mm
0,3 0,2 0,1 0 0
200
400
600
800
1000
Welding time, second
A nitrogén diffúziós tényezője ausztenitben:D=0,00335 cm2/s; ferritben: D=0,00047 cm2/s AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Ívhegesztési és egyéb kísérletek ⇒
AWI - hegesztés Fogyóelektródás védőgázas ívhegesztés – Előmelegítési vizsgálatok Az alapanyagok túlzott zárványtartalma miatt a mechanikai vizsgálatok nem értékelhetők, a kísérletek csak előkísérletnek tekinthetők
Mágnesezhetőségi vizsgálatok
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Az előmelegítés eredményei Kemé Keménysé nység mé mérés
Alapanyag
HAZ
Varratfé Varratfém
Terhelé Terhelés:
20kN
32
21
8
Hőmérsé rséklet:
20° 20°C
Átlag
215
309
329
Gép typ: typ:
EDZEDZ-20
Min.
205
260
306
Mérési pontok 1
Max. Max. Erő Erő [kN] kN]
Szakí Szakítószilá szilárdsá rdság [N/mm2]
1
TRIP700
9,1
722
2
TRIP700
10,2
803
3
TRIP700
11,8
845
4
TRIP700
12,3
880
383
30
20
8
Átlag
256
360
357
Min.
248
250
303
Max. Max.
268
461
396
31
20
8
Átlag
260
379
370
Min.
240
248
300
Max. Max.
289
487
413
1
25
30
19
8
2
150
Átlag
315
349
331
3
300
Min.
238
273
305
338
394
349
4
220
Max. Max.
Mérési pontok
Mérési pontok 4
Anyag
441
Mérési pontok
3
Jel
230
Max. Max.
2
Szakí Szakító vizsgá vizsgálat
HV200
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Elő Előmelegí melegítés Te [°C]
A vizsgálatok eredményeinek értékelése ELŐMELEGÍTÉS HATÁSÁRA NŐ A KEMÉNYSÉG 400
HV200
a
375 350
25°C 150°C 220°C 300°C
325 300 275 250 225 200 Alapanyag
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
HAZ
Varratfém Orosz Csaba
A vizsgálatok eredményeinek értékelése NITROGÉN HATÁSA
A TRIP acélok hegesztésnél nem csak az edződés miatt ridegnek el Az argon védőgázhoz kevert nitrogén tartalomtól függenek a varratok mechanikai tulajdonságai A nitrogén ridegíti a varratokat A nitrogén nem vegyületfázisokat hoz létre a varratban, öregedést hoz létre és ezen keresztül ridegít
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
Mágnesezhetőségi vizsgálatok Alakítás mértéke [%]
BM [T]
BR [T]
HC [A/m]
1
20
1,759
0,619
575
2
20
1,775
0,620
582
3
13,75
1,736
0,635
568
4
0
1,503
0,989
520
5
14
1,738
0,698
583
6
14,45
1,657
0,669
575
7
2,5
1,565
0,797
555
8
0
1,404
0,903
541
Hengerlési irány
Párhuzamos Merőleges
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
A vizsgálatok eredményeinek értékelése MÁGNESEZHETŐSÉGI VIZSGÁLATOK
590 580 570 560 550 540 530 520 510
1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 0
5
10
15
Alakítás mértéke [%]
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
20
25
Hc [A/m] Br [T]
Hc [A/m]
Párhuzamos
Br [T]
A vizsgálatok eredményeinek értékelése MÁGNESEZHETŐSÉGI VIZSGÁLATOK
590
1,000
580
0,800
570
0,600
560
0,400
550 540
0,200
530
0,000 0
2
4
6
8
10
12
Alakítás mértéke [%]
AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
14
16
Hc [A/m] Br [T]
Hc [A/m]
Merőleges
Br [T]
További vizsgálatok terve Kis
zárványtartalmú TRIP acélok beszerzése Ellenállás ponthegesztési kísérletek, az előmelegítés hatásának vizsgálata A TRIP acélok ellenállás ponthegesztési technológiájának kidolgozása Javaslat a TRIP acélok bemágneseződésének elkerülésére. AGY III 2006.06.12006.06.1-2.
Orosz Csaba
