A karosszéria merevségét a karosszéria forma, a lemez vastagsága és a strukturális részek rugalmassági modulusza határozza meg. A nagyszilárdságú lemezek alkalmazásakor a lemezvastagsággal elért súly csökkentés, negatív hatásaként a karosszéria elemek felületein helyi (lokális) horpadás érzékenységet eredményezhetnek. Mindezeket együtt kell figyelembe venni a különböző nagyszilárdságú vékony lemezek fejlesztésénél éppen úgy, mint a karosszéria formatervezőjének és konstruktőrének. Tevékenység: Tanulmányozza a 4. táblázatot! Gyűjtse ki és tanulja meg a nagyszilárdságú mélyhúzott finom acélok típusait és jelölésüket! A 4. táblázat foglalja össze az eddig szabványosított nagyszilárdságú finom acéllemez fajták. Anyag
Werkstoff Rp Rm A80 2 2 Nr . [N/mm ] [N/mm ] %
ra
Δra
rmax
βmax
St 13 1.0333 < 230 270-370 >32 1,7 0.6 2.1 2.2 St 14 1.0338 < 210 270-350 >38 1.8 0,6 2,2 2,25 Mikroötvözött acél ZSt E 260 1.0480 260-340 350-450 >24 1,1 0,1 1,3 2.1 ZSt E 380 1.0550 380-500 460-600 >18 1,1 0,1 1,3 2,0 ZSt E 420 1.0556 420-540 480-620 >16 1,1 0,1 1,3 2,0 IF 18 1.0338 <160 270- 350 >38 2,0 0,4 2,5 2,3 P (foszforral) mikroötv. ZSt E 220 P 1.0397 220-280 340-420 >30 1,4 0,4 1,8 2,2 ZSt E 260 P 1.0417 260-320 380-460 >28 1,2 0,1 1,4 2,2 ZSt E 300 P 1.0448 300-360 420-500 >26 1,1 0,1 1,3 2,1 2 0 BH = Bake hardening +40 [N/mm ] a lakkozás 170 C/–on ,20 perc beégetés ZSt E 180 BH 1.0395 180-240 300-380 >32 1,6 0,5 2.1 2,25 ZSt E 220 BH 1.0396 220-280 320-400 >30 1,4 0,4 2,0 2,2 ZSt E 260 BH 1.0400 260-320 360-440 >28 1,2 0,1 1,6 2,2 ZSt E 300 BH 1.0444 300-360 400-480 >26 1,1 0,1 1,4 2,1 DP (Kétfázisú- acél) DP 500 230-250 500-520 >30 1,0 0,1 1,2 1,8 4. táblázat Növelt szilárdságú acélok Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a nagyszilárdságú mélyhúzott acélok típusait és előnyeit! Tanulmányozza a 8. ábrát! A nagyszilárdságú mélyhúzott acélokat feloszthatjuk; foszfor P tartalmú acélok, szilicium és mangán tartalmú acélokra kiválásosan keményített BH acélokra és két fázisú DP acélokra A szakadási nyúlás (A80) értékeinek összhasonlítása rávilágít a nemesített (öregített) vegyeskristályosan kiváló foszfor-tartalmú, ZSt E…P (SEW094) szerinti acélok előnyeire, a ZSt E… (SEW093) gyorshűtéssel nemesített, mikroötvözöttekkel szemben; - nő a képlékeny alakváltozási képessége,
- miközben az alakváltozással szembeni szilárdság növekedése nagyobb ( r max ) - ezáltal ütközéskor energia elnyelő képessége jóval intenzívebb, növelve a kocsi aktív biztonságát. Az IF vákumban széntelenített (dekarbinizált) mikroötvözött lemezben a titán és niób hatása ad az alakítás szempontjából még kedvezőbb tulajdonságot. A nagy különbség a „P” foszfor tartalmú és BH-effektust („sütve keményedő”) hatású acélok között van. Ezt mutatja a 8. ábra.
8. ábra Bake-hardening hatás. Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja a BH jelölés és effektus jelentését, hatásait! A BH acéloknál az alkatrészek végső szilárdságát a kész – alakított, lakkozott – 1700 C –on történő 20 perc szárítási hőmérsékleten éri el. (Erre utal ezen acélok BH megnevezése.) A 8 sz. ábrán egy sematikus feszültség- nyúlás diagram látható, melyen - az 1-es számmal jelölt diagram a hidegen hengerelt –dresszirozott, határozott folyáshatár nélküli szállítási állapotú lemez szakító diagramját mutatja - a 2-es számmal ehhez viszonyítva a mikroötvözött és hőkezelés következtében a BH0 folyáshatár értékkel növekedett lemez szakító diagramja van jelölve. - a WH a szilárdság növekedést érzékelteti adott képlékeny alakváltozás hatására - végül a Bake-hardening –sütve keményedő- hatás miatt +BH2 keményedés szuperponálódik (rakódik rá +40 [N/mm2 ]) az előzetesen alakított lemez alakítási szilárdság növekményére. A felkeményedés mértékét az ötvözet összetételének és a gyártás feltételeinek kiválasztása határozza meg. Így a BH-effektussal lehetővé válik, hogy alacsonyabb R p folyáshatárral és ezáltal a sajtoláskor jobb képlékeny alakíthatósággal dolgozzanak, miközben a pótlólagos keményedés a lakkozáskor csak a kész karosszéria elemen valósul meg. A Bake-hardening hatást fémtanilag öregedési folyamatként értelmezzük. Mint ahogy a 8. ábra egyes köreiben vázlatosan jelezve van, a hagyományos hidegen hengerelt - 1-es számmal jelölt- lemezben kevés – 0,1% alatti - szén atom van a vaskristályrácsban oldott állapotban, amely rácshibaként az acél deformációjának ellenállását
adja. Sajtolás során, az atom rácsok elcsúszásának száma tovább növekszik, és az atomrács mindkét jellemzője – a diszlokációk és az oldott atomok – feszültségmezőket eredményeznek. A kristályrács szerkezet azonban mindig a legkisebb energiájú állapot elérésére törekszik. Ezért vándorolnak a lakkozási hő bevitel hatására az oldott szénatomok az alakítás következményeként a vakanciák- és diszlokációk üres rácshelyeire, ahol ezek blokkolják a krisztallitok további alakváltozást. Ezt a folyamatot nevezzük „alakváltozási öregedésnek”. Ennek következménye a szilárdsági növekedés a további felkeményedés. A kész préselt alkatrészeknél így a hideg-keményedés (WH) addíciója és a Bake-hardening (BH2 ) hatás következtében jelentősen növekszik az alakítási szilárdsága, javítja sajtolásnál a „ráncosodásállóságot” és a „Crach”- viselkedést. Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja a DP jelölés jelentését, a DP lemezek mikroötvözőit! Tanulja meg a DP anyagok jellemző szövetszerkezetét! Különösen erőteljes keményedést lehet már az alkatrész sajtolásánál elérni a kettős fázisú DP mikroötvözött lemezeknél.( Mikroötvöző elemek; Al, Mo, Mn, P, Si, Ti, V, és Niób ) Ezeknek az acél lemezeknek a szövetszerkezetét ferrites alapmátrix jellemzi beágyazott martenzit-szigetekkel. A szilárdsági tulajdonságok főként a martenzit mennyiségétől függnek. Az alakváltozás következtében történő intenzív felkeményedése, erőteljesebb hatást gyakorol az anyag szakító szilárdságára mint a folyáshatárra. Ennek megfelelően a martenzit miatti fokozottabb keményedés ellenére a képlékeny alakítás szempontjából kedvezőbb, alacsonyabb folyási viszonyok érhetők el. A 8. ábrapéldaként a DP 500 -as duálfázisú acél martenzit tartalom hatását mutatja a szilárdsági tulajdonságaira.
9. ábra Martenzit tartalom hatása a kétfázisú acélok szilárdsági tulajdonságaira. Az oldott szénatom tartalma következtében a kétfázisú acéloknál is elérhető a Bakehardening.
Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja a TRIP jelölés jelentését, jellemző szövetszerkezetét! Külön kiemelést érdemel az un TRIP (Transfomation Induced Plasticity) - acél , mely szövetszerkezetében Maradék –rest-ausztenit van a ferrit és bainit mellett. Lásd 9. ábra.
10. ábra TRIP acél sematikus szövetszerkezeti képe. Míg a duálfázisú acélok esetében a martenzit képződés már a - speciális – Conti-hőkezelő kemencében a lehűtésnél lezajlik, addig a TRIP- acél esetében a Conti-hőkezelőben a szövetszerkezetben beállított mennyiségű ausztenit marad , amely átalakulása martenzitté csak a sajtolásnál-, a lemez szobahőmérsékletén végzett képlékeny alakításánál történik meg. Ezért nagyon jó alakíthatósági tulajdonságot eredményez. Tevékenység: Tanulja meg a Conti-kemencés technológia jellemzőit! A hagyományos harangkemencés hőkezelő kemencékhez képest a Conti –kemencében történő új hőkezelési technológia, elsősorban az igen intenzív hűtési sebesség (> 1000 0 C/s) vízben történő gyorshűtésével éri el, hogy a szövetben restausztenit maradjon. Tevékenység: Tanulmányozza a 11. ábrát! Hasonlítsa össze a különféle anyagok szilárdsági és alakíthatósági tulajdonságait! A felhasznált új karosszéria lemezanyagok minőségét foglalja össze a 11. ábra.
11. ábra Lemezek szilárdsági és alakíthatósági tulajdonságai Forrás. AHSS Guidlies V23
Tevékenység: Tanulmányozza a 12. és 13. ábrát! Keresse ki, hogy a különféle lemezanyagok hova kerülnek beépítésre! Indokolja a beépítést! Az American Iron and Steel Institute bemutatása alapján agy mai személygépkocsi acél karosszéria építéséhez felhasznált lemezminőségek; 74% DP, 10% BH, 4%Mart., 4% IF.
12. ábra Amerikai személygépkocsi karosszéria építéséhez használt lemezminőségek Forrás: autofildguide.com
Egy másik példa az új Opel Astránál megvalósult új karosszéria megoldást mutatja a 13. sz. ábrán, mely korszerű tiszta acél alváz kialakítására egy megoldás.
13. ábra Az új Astra súlyát az előző Aszta H karosszériához viszonyítva 10%-al csökkentették, melyet új PHS ( 4%), (sajtolással keményedő) növelt szilárdságú acél – ábrán lila színnel jelölt karosszéria elemekhez használtak fel. A DP dualfázisú – ábrán kék színnel jelölt - lemezek arányát 8%-ról 17%-ra növelték és a BH –ábrán fehér színnel jelölt - lemezek arányát 41%ról 43%-ra. Így a felhasznált St karosszéria lemezek aránya 49%-ról 39%-ra csökkent, a felhasznált 2% alumínium lemez arányt továbbra is megtartva. A 10%-os súly csökkenés ellenére a karosszéria erősebb lett, a Astra H karosszériához viszonyítva a torzió +7%-al, a hajlás +16%-al nőtt. (A karosszéria frontjának szerkezeti kialakításánál figyelembe vették a GM más típusaihoz való felhasználás alkalmassá tételét; így felhasználható a Chevrolet Cruze, Cadillac BLS és Saab 9-3 típusok motortartó szerkezeti alvázaként is, ezzel növelve a gyártókapacitás hatékonyabb kihasználását!) Tevékenység: Tanulja meg a nagyszilárdságú karosszérialemezek javítástechnológiájának a nehézségeit! Fontos megjegyezni, hogy ezen nagyszilárdságú lemezekből készült karosszériák esetén fennáll annak veszélye, hogy nagyobb hő bevitel esetén – lángvágás-, hegesztés - elveszítik a festést követően kialakult szilárdságukat. Ezért a karosszéria javításánál szigorúan be kell tartani a gyártónak a karosszéria-javítási technológia utasításában előírtakat, lehetőleg főcserés megoldást alkalmazva! Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a rozsdamentes acélok jellemző tulajdonságait, alkalmazási területeit! 2.4.
Rozsdamentes acélok
Nemes acéloknak is szokták nevezni, mivel ezen lemezeket korábban elsősorban az élelmiszer ipar, a gyógyászat és az atomipar használt. A járműiparban elsődlegesen a azokba az országokba ahol nagyon szigorú a kipufogó gáz előírás, ott a kipufogó köpeny lemezanyagaként, valamint az üzemanyag tank tartályánál, mivel a nemesacél diffúziómentesen zár. Néhány nemesacél szilárdsági és képlékegységi adatát foglalja össze az 5. sz táblázat. Anyag
Werkstoff Rp Rm A80 Nr . [N/mm2] [N/mm2] % Ferrites Kromacél
ra
Δra
rmax
βmax
X6Cr17 1.4016 X6CrMo171 1.4113 X6CrNb 17 1.4511 X6CrTi12 1.4512 Ausztenites CrNi acél X5CrNi 1810 1.4301 X5CrNi 1812 1.4303 X12CrNi177 1.4310
> 270 450-600 >18 > 320 480-630 >18 > 260 450-600 >18 > 210 390-560 >17
1,0 - 0,18 1,4 0,3 1,45 - 0,22 1,5 - 0,36
> 220 > 200 > 260
1,0 1,1 1,0
550-750 >35 500-650 >35 600-950 >35
0,3 0,4 0,3
1.2 2,0 1,6 1,8
2.1 2,21 2,14 2,14
-
2.08 2,06 2,5
5. sz. táblázat Nemesacélok Ma már a prémium autó karosszéria gyártásban is egyre szélesebb területen alkalmazzák; a korrózió állóság, magas szilárdság és jó alakíthatóság miatt. Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg az alumínium ötvözetek jellemző tulajdonságait (előnyeit, hátrányait), jelölésüket! 2.5.
Alumínium anyagok
Az alumínium magas szilárdsági ötvözetei elérik-, sok esetben felülmúlhatják még az acél szilárdsági értékeit is. Hátránya a viszonylag csekély szakadási nyúlás ( A 80 ), másrészt az acélnál magasabb ár. A 6- os számú táblázat foglalja össze az alumínium anyagok választékát. Anyag AlMg Si 1 AlMg Si 1 AlZnMg 3 AlCu4Mg2
(k) (w) (w) (k)
R p [N/mm2]
Rm [N/mm2]
98 - 196 255 – 324 343 – 471 274 – 392
196 – 255 314 – 363 431 – 510 431 – 490
A80 % 4 - 20 8 – 16 8 – 12 12 – 19
Megjegyzés Nemesíthető Nemesíthető
AlMn (w) 39 - 78 98 – 137 30 – 35 AlMn (H) 127 – 206 157 – 245 3 - 7 Nem nemesíthető AlMg 1 (W) 39 - 78 98 – 147 18 – 32 AlMg 1 (H) 137 – 235 157 – 255 3 – 10 (W) = lágyított, (H) = kemény, (k) = hidegen keményített, (w) = lágyítottan keményített 6-os sz. táblázat. Aluminium ötvözetek tulajdonságai Forrás DIN 1725
Az alumínium lemezek lehetnek melegen és hidegen hengereltek. Az autógyártásban főleg a hidegen hengerelt lemezeket használják 0,35 – 5 mm-es vastagságban. Rudakat, profilokat alu ötvözetből – az acélokkal ellentétben – nem hengerelik, hanem extrudálják. Tevékenység: Tanulja meg az alumínium karosszériaelemek hatását a járművek súlycsökkentésében!
Az alumínium elméletileg 1/3-a az acél fajsúlyának. A gyakorlatban azonban, az alumínium karosszéria elemek súlycsökkenése csak mintegy 40% , mert az alkalmazott lemez vastagabb mint acél alkalmazása esetén volna. Tevékenység: Tanulja meg az alumínium karosszéria konstrukciók jellemző típusait! A Karosszéria konstrukciókban különböző felfogásokat lehet megkülönböztetni; A karosszéria alumínium lemezből épül fel, az acél karosszériához hasonlóan A Space-Frame technológiánál a teherhordó keretet elválasztják a burkolattól. A keret extrudált profilból áll, amely össze van kötve a csomópontokban preciziósan öntött elemekkel melyet burkolnak alumínium lemezekkel. Lásd. 14. ábra. Tevékenység: Tanulmányozza a 14. ábrát! Keresse ki az alumínium és az acél alkalmazási területeit! Gyűjtse ki és tanulja meg a könnyűszerkezetű karosszériák új kötési eljárásait! A 14. ábra az AUDI TT, R8 sportkocsi alumínium és könnyűfém karosszériáját mutatja.
14. ábra A felhasznált alumínium elő-gyártmány arányát jól mutatja a kördiagram. A könnyűszerkezetes karosszéria építés a jövő járműprojektjeinek központi kompetenciája. Az ilyen új könnyűfém szerkezetű karosszériák összeállításánál külön érdemes kitérni az elemek kötésének új technológiai megoldásaira mint pl.; ragasztás, lemezek képlékeny alakítással történő egyesítése, peremezés stb. (Az egy-egy karosszériához felhasznált ragasztott kötés hossza elérheti a 100 m-t is.) Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg az alumínium előnyeit és hátrányait a karosszéria gyártásánál! Az alumínium előnye a karosszéria gyártásnál; az alumínium fajsúlya körülbelül 1/3 a az acélnak különösen nagy az energia felvevő képessége és ezért különösen kedvező a kocsi ütköző zónájában való felhasználása. az alumínium a levegő oxigénjével vékony oxid réteget képez, ami ujra és újra megújul és véd az anyag további korróziójától. az alumínium ötvözet recycling – könnyen újrafelhasználható- és feldolgozható az alumínium és ötvözetei jól alakíthatók.
Az alumínium hátránya: az alumínium fém ára lényegesen magasabb mint az acélé. nem lehet pont ellenállás hegesztéssel kötni. elektrokémiai korrózió tönkreteheti az anyagot, ez elleni védelem szükséges, ami a karosszéria javítástechnológiáját is megdrágítja ezért különleges ragasztásos eljárást kellett kidolgozni a javított új elemek kötésénél. Az alumínium karosszéria anyag jelentősége a magas szilárdsága-, könnyűsége-, korrózió ellenállása-, és jó alakíthatósága miatt az utóbbi években jelentősen megnőtt. Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg az 5xxx és 6xxx alumínium ötvözetek összetételét, jellemzőit! Tanulmányozza a 15. ábrát! Hasonlítsa össze az 5xxx és 6xxx alumínium ötvözetek és a különféle acélötvözetek jellemző tulajdonságait! Az alumínium ötvözeteket az előállítási eljárásuktól függően két fő csoportba lehet osztani: Képlékenyen alakítható ötvözetek és öntött ötvözetek. E két fő csoporton belül különbséget teszünk a hőkezeléssel keményített és a természetesen kemény ötvözetek között. A lemezötvözeteknél a karosszériákhoz felhasznált lemezek mindenek előtt az 5xxx (Al-Mg ) bázis alapú nem kikeményített és a 6xxx (Al-Mg-Si) kikeményített ötvözeteket alkalmazzák. Lásd .
15. ábra Az 5xxx és 6xxx alumínium ötvözetek szilárdsági és alakíthatósági jellemzői az acél lemezekkel összehasonlítva. Az 5xxx ötvözet csoport természetes keménysége az alakítás során – annak mértékében – keményedik tovább, amit azonban tovább nem lehet hőkezeléssel emelni. Az ötvözetek a 6xxx csoportnál másként viselkednek, mivel ezek megfelelően hőkezelve érik el szilárdságukat. További előnye a 6xxx ötvözeteknek, hogy alakítás során nincs hajlamuk a lüders vonalak kialakulására. Európában a AA6016 vagy AA618-as ötvözeteket alkalmazzák leggyakrabban. Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a magnézium jellemző tulajdonságait! 2.6.
Magnézium anyagok
A magnézium fajsúlya még kisebb p = 1,8 g/cm3 , így az alumínium lemezként még további 30 % -ot lehet súlycsökkenésként elérni. A föld mintegy 2.7- a tengerek 0,13% ebből a könnyűfémből áll, ami ennek az anyagnak s rendelkezésre állását több száz évre biztosítaná. Tulajdonságát illetően kiemelendő intenzív felkeményedő (n) képessége, merevsége az acélhoz hasonlítva. Lásd 16. ábra. Tevékenység: Tanulmányozza a 16. ábrát! Tanulja meg a magnézium alakíthatósági jellemzőit és ezek okait! Keresse ki a Mg jellemző adatait, hasonlítsa össze a Mg és az acélötvözetek jellemző tulajdonságait!
16. ábra A magnézium anyag szilárdsági és alakíthatósági jellemzői A magnéziumot hideg állapotban - hexagonális rácsszerkezete miatt - nagyon nehéz alakítani, jelentős törés /pikkelyesedési/ hajlamot mutat. Lásd. 17. ábra
17. ábra Emiatt a magnézium lemezek alakítása 350-400 ºC –on célszerű. Ezért főleg meleg sajtolással-, alakítással munkálják meg. A magnézium öntvény ötvözeteket pedig vákuumos nyomásos öntéssel állítják elő. Ez csekély falvastagságú öntvény előállítását teszi lehetővé. Tevékenység: Gyűjtse ki és tanulja meg a nyomásos öntéssel magnéziumból előállított alkatrészeket! Alkalmazása a prémium kocsiknál főleg nyomásos öntéssel előállított sebesség váltó ház, pl. ajtóba belső merevítő tartó-, karosszéria belső részekként pl. műszer fal tartó stb. A magnézium korrózió hajlama nagy, ennek megfelelő kezelés drágasága miatt szélesebb alkalmazása csak prémium kategóriában korlátozottan várható.
A magnézium AZ 31 típusú lemezanyaggal Drezdában bemutatásra került egy tanulmány ajtó, amely komplett technológia fejlesztési projektként a gyártás minden lépését végig elemezte az alakítástól a szerelésen át a festésig kitérve az anyag újrahasznosíthatóságáig. A magnézium felhasználás új irányát mutatja a fajlagos súlycsökkentés további lehetőségeként a magnézium AZ 31 típusú lemezanyag komplett ajtó előállítására a 18. ábra.
18. ábra. Magnézium AZ 31 típusú lemezanyag komplett ajtó
