JÁRMŰIPARI ANYAGFEJLESZTÉSEK FÉMES ÉS NEM-FÉMES ANYAGOK A JÁRMŰIPARBAN

Miskolci Egyetem

Prof. Dr. Tisza Miklós

Miskolci Egyetem


V. Észak-Magyarországi Műszaki Értelmiség Napja Miskolc, 2013. június 24.

Tartalom • Előzmények • Bevezetés – A fejlesztések fő hajtóerői - Fejlesztési tendenciák az autóiparban – Az autóipari követelmények hatása az anyagtudományi fejlesztésekre • Anyagtudományi fejlesztések – Új korszerű acélanyagok fejlesztése – Alumínium és könnyűfémek alkalmazása – A több-komponensű (multi-material) koncepció alkalmazása • Technológiai fejlesztések - Szemelvények – HydroForm alakítás – Nagyszilárdságú anyagok melegalakítása – Gyors prototípus gyártás a lemezalakításban – Új, innovatív eljárások • Szerszámfejlesztési irányzatok – A Digitális szerszámüzem koncepció • Modellezés és számítógépes mérnöki tevékenység • Összefoglalás - Következtetések

JÁRMŰIPARI ANYAGFEJLESZTÉSEK FÉMES ÉS NEM-FÉMES ANYAGOK A JÁRMŰIPARBAN Prof. Dr. Tisza Miklós tanszékvezető, egyetemi tanár

Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék Miskolc - Egyetemváros V. Műszaki Értelmiség Napja

1

Miskolc, 2013. június 24.

Miskolci Egyetem

V. Műszaki Értelmiség Napja


Miskolci Egyetem

• A fejlesztések motorja – a fogyasztói igények – a globális autópiaci verseny • A fogyasztói követelmények – gazdaságosabb – biztonságosabb – magasabb kényelmi szintű autók • Törvényi előírások, kötelezettségek – kevesebb káros anyag kibocsátás – fokozott környezetvédelem – fokozott biztonsági előírások » egyre szigorúbb töréstesztek




4



Luxus kategória

Tervezési koncepciók a gyártási volumen függvényében

héjszerkezetű

térbeli keretszerkezetes

csővázas

integrált tervezés

kompakt kategória

Tervezési koncepció

» Új tervezési és gyártási koncepciók » Fokozott • rugalmasság • modularizáció • standardizált gyártási eljárások » Új anyagok és technológiák alkalmazása » Új tervezési módszerek, • a Computer Aided Engineering • a számítógépes modellezés átfogó alkalmazása » Költség-optimalizált gyártás • rövidebb bevezetési/átfutási idők • költséghatékony gyártási eljárások alkalmazása 5

• Több követelmény egyidejű kielégítése → tömegcsökkentés – kisebb fogyasztás » kevesebb káros anyag kibocsátás – környezetvédelem » gazdaságosabb – fogyasztói igény • Ellentmondó követelmény – kisebb tömeg – vékonyabb lemezek » fokozott biztonsági előírások » szigorúbb töréstesztek – megoldás: növelt szilárdságú anyagok alkalmazása » kedvezőtlen következmény: az alakíthatóság csökkenése

Miskolci Egyetem

A fokozódó követelmények kielégítésének lehetőségei



Autóipari fejlesztési tendenciák

• A kutatások egy 2012-ben elnyert, 4 intézmény konzorciumi együttműködésében valósul meg • A konzorcium vezetője: – Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék • A konzorcium tagjai: – Széchenyi István Egyetem, Győr – Kecskeméti Főiskola, Kecskemét – Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft. • Az elnyert támogatás összege: 473 330 880 Ft • A projekt kezdete: 2013. január 1. • A projekt futamideje: 24 hónap • A projekt befejezési határideje: 2014. december 31.

3


Miskolci Egyetem

Előzmények


2

hybrid tervezés

kis sorozatú gyártás



1

Gyártási volumen

6

tömeggyártás


Miskolci Egyetem


Miskolci Egyetem

Anyagfejlesztési tendenciák a lemezalakításban

Autóipari hidegen hengerelt lemezek fejlesztése

• A könnyű súlyú, kis tömegű autók iránti igény által a karosszéria lemezekkel szemben támasztott követelmények – Nagyobb szilárdság, egyidejűleg jobb alakíthatóság – Kedvezőbb törési jellemzők, jobb ütközés állóság • Az autóiparban alkalmazott fő alapanyagcsoportok – Hagyományos hidegen hengerelt lemezek – Korszerű, nagy szilárdságú acélok (HSS, TRIP, DP, AHSS, XAHSS, U-AHSS steels) – Nem-vas fémek és ötvözeteik » Alumínium ötvözetek » Magnézium ötvözetek » Titán ötvözetek – Nemfémes anyagok » Polimerek, műanyagok » Kerámiák » Kompozit anyagok (pl. CFK) V. Műszaki Értelmiség Napja

7

Miskolci Egyetem


22MnB5

• Az utóbbi 35-40 év fő acélfejlesztési eredményei

SULC acélok TRIP acélok

– Mintegy 5 évenként egy-egy új anyagminőség – A fokozódó követelmények egyre magasabb szintű kielégítése – Növekvő szilárdság, jobb alakíthatóság

Izotrópikus acélok Nagyszilárdságú acélok BH acélok DP (dual-phase) acélok Foszfor-ötvözésű acélok Mikro-ötvözésű acélok 1975


1980

1985



1990

1995

2000

2005

8


Miskolci Egyetem


Hagyományos, kis- és közepes szilárdságú autóipari lemezanyagok

Ellentmondásos követelmények: szilárdság - alakíthatóság

• Hagyományos lágyacélok – Túlnyomórészt ferrites szövetszerkezet – Főleg Al-mal megnyugtatott, kiválóan mélyhúzható alapanyagok – Évtizedeken át meghatározó szerep • Interstíció mentes acélok – ultra kis karbon és nitrogén tartalom – kis folyási határ, nagy alakváltozási keményedőképesség, jelentős egyenletes és teljes nyúlás – lényegesen jobb nyújthatóság: karosszéria alakítás  jobb nyújthatóság • Festés utáni kiégetés során kiválásosan keményedő acélok – Bake Hardening steels – az összetétel és a gyártási eljárás összhangja – alapvetően jól alakítható ferrites szövetszerkezete – a festés utáni kiégetés során oldódási-kiválási mechanizmusok révén jelentős szilárdságnövekedés


9

Miskolci Egyetem





Hagyományos, közepes- és nagyszilárdságú autóipari lemezanyagok II.

• Izotropikus acélok – IS-acélok mikroszerkezete lényegében ferrites szövetszerkezet – különleges acélgyártási technológiájuknak köszönhetően a minden irányban azonosan nagy szilárdsággal rendelkeznek – a mélyhúzásnál a fülesedésre jellemző r érték közel nulla • Nagyszilárdságú gyengén ötvözött acélok – HSLA steels – nagy szilárdság (Rm = 400-1000 N/mm2), – jó alakíthatóság, jó hegeszthetőség, – kis átmeneti hőmérséklet, ridegtöréssel szembeni jó ellenállóképesség – mindez kis mennyiségű és viszonylag olcsó ötvözőkkel – kiváló tulajdonságainak biztosításában kiemelkedő jelentősége van a gyártás optimális termikus-mechanikus rendszerének

11


Miskolci Egyetem

Hagyományos, közepes- és nagyszilárdságú autóipari lemezanyagok I.


10

• Kettős-fázisú acélok – Dual Phase (DP) Steel – ferrit mátrixban kemény martenzit szigetek – a ferrit/martenzit arány módosításával a tulajdonságaik tág határok között változtathatók – gyártásuk legfontosabb technológiai lépései: » az ún. interkritikus hőmérséklet helyes kiválasztása, » az izzítási időtartam ezen a hőfokon és » az ezt követő lehűtés – Jellemző mechanikai tulajdonságaik » Rm = 600 MPa » A80 = 25% » C = Rm × A80 = 15 000



2

12


Miskolci Egyetem


Miskolci Egyetem

Hagyományos, közepes- és nagyszilárdságú autóipari lemezanyagok III. • Fázisátalakulással indukált képlékenység – TRIP acélok – a TRIP acélok szövetszerkezete » ferrit mátrixba ágyazott legalább 5 térfogatszázalék túlhűtött (maradó) austenit, » különböző arányban jelenlévő • nagy keménységű, bainit, illetve • martenzit fázisok – C = Rm×A80 = 15,000-30,000 állandó » Rp0.2= 800-900 MPA » Rm= 900-1500 MPA » A80 = 20÷25 %.


13

DP 350/600, HSLA 350/450 és TRIP 350/600 acélok

Mérnöki feszültség [MPa]

ferrit martenzit bainit

maradó austenit

DP 350/600 TRIP 350/600 HSLA 350/450

Mérnöki nyúlás [%]


Miskolci Egyetem




14

Miskolci Egyetem

Autóipari hidegen hengerelt lemezek fejlesztése



Nagyszilárdságú acélanyagok melegalakítása – Press hardening

22MnB5 SULC acélok TRIP acélok Izotrópikus acélok Nagyszilárdságú acélok BH acélok DP (dual-phase) acélok Foszfor-ötvözésű acélok Mikro-ötvözésű acélok 1975


1980

1985

1990

1995

15

Miskolci Egyetem

2000

2005




16

Miskolci Egyetem



Új generációs nagyszilárdságú acélok autóipari alkalmazásokhoz

Fajlagos nyúlás (A80, %)

A 22MnB5 melegalakító acél jellemzői

a) Ferrit-perlites szövetszerkezet szállítási állapotban (N = 100x)


17

b) Melegalakítás és hűtés utáni martenzites szövetszerkezet (N = 1500x)



3

18


Miskolci Egyetem


Miskolci Egyetem

Új generációs nagyszilárdságú acélok autóipari alkalmazásokhoz

SB-TRIP (super-bainites TRIP acél)

• Extra nagy szilárdságú acélok – X-AHSS steels – a TRIP acélok továbbfejlesztett változatai – C = Rm×A80 = 40,000 állandó – altípusai » az FB-TRIP (ferrit-bainites TRIP acél) • mikroszerkezet: ferrit+bainit –kiváló nyújthatóság: ferrit –nagy szilárdság:  fokozott szemcsefinomítás  bainit » az SB-TRIP (super-bainites TRIP acél) » az M-TRIP (martenzites TRIP acél) V. Műszaki Értelmiség Napja

19

• szövetszerkezet: – jellemzően nano-méretű, lemezes típusú, karbidmentes bainit mátrixban – kis mennyiségben maradó austenit • jellemző mechanikai tulajdonságok – nagy folyási határ (Rp0.2 = 900 MPa) – extra nagy szakítószilárdság (Rm = 1600 MPa) – kimagaslóan jó fajlagos nyúlás (A80 = 27-30 %).


Miskolci Egyetem


Miskolci Egyetem




22

Miskolci Egyetem



Nem-vas fémek és nemfémes anyagok alkalmazása • Nem-vas fémek – Alumínium ötvözetek » alakítható » önthető » kiválásosan keményedő – Kis sűrűségű Magnézium ötvözetek » Jellemzően öntött és kovácsolt termékek » Biztató eredmények lemezek 150-200 oC hőfok tartományban összetett geometriák esetén – Különféle Titán ötvözetek • Nemfémes anyagok – Polimerek – Kerámiák – Karbonszál erősítéses kompozit anyagok (CFK) – Fémhabok

• mechanikai tulajdonságok – igen nagy szilárdság (Rm > 1000 Mpa) – szélsőségesen nagy egyenletes nyúlás (m = 50%) » kiváló nyújthatóság – szélsőségesen nagy teljes nyúlás (A80 = 65 % ) • az előzőkből következően a legnagyobb szilárdság × nyúlás állandó – C = Rm×A80 = 65,000

23


• tipikus képviselői az ún. TWIP-acélok – Twinning Induced Plasticity (ikerképződéses képlékenység) • jellemző összetétel – legjellemzőbb adata a nagy (17-24 %) Mn tartalom » ez biztosítja az acél teljesen austenites állapotát szobahőmérsékleten is • alakváltozási folyamatát nagyszámú alakítási ikerképződés jellemzi – következmény: a pillanatnyi keményedési kitevő extra nagy értéke (n = 0,4) – ennek oka: az alakítási ikerképződés folytán egyre finomabb és finomabb mikroszerkezet jön létre

Ultra-nagyszilárdságú acélok (U-AHSS steels)



Ultra-nagyszilárdságú acélok (U-AHSS steels)

• szokásos összetétel – C = 0,15-0,2 %, Si = 1,6 %, Mn = 1,6 %. • szövetszerkezet: – martenzit mátrixban – nano-méretű lemezek közt maradó austenit • jellemző mechanikai tulajdonságok – nagy folyási határ (Rp0.2 = 1000-1200 MPa) – extra nagy szakítószilárdság (Rm = 1600-2000 MPa) – jó fajlagos nyúlás (A80 = 20-25 %).

21

20

Miskolci Egyetem


M-TRIP (martenzites TRIP acél)





4

24


Miskolci Egyetem


Miskolci Egyetem

A járműiparban használt legfontosabb alumínium ötvözet típusok Ötvözet típusa

Jellemzői

Alumínium ötvözetek autóipari alkalmazásának változása

Felhasználási területe

Alumínium-réz-mangán (duralumíniumötvözetek)

nagy szilárdság

jármű- és repülőgép gyártás

Alumínium-magnézium

nagy szilárdság, nagy keménység, jó alakíthatóság, hegeszthetőség, fényesíthetőség, korrózióállóság.

élelmiszer- és vegyipari berendezések, bútorok, járművek, forgácsolással készített menetes alkatrészek

Alumínium-magnézium- kiváló korrózióállóság, szilícium ötvözet nemesíthetőség



25

Miskolci Egyetem

távvezetékek, járműfelépítmények, gázpalackok, öntészeti célra pl. motorblokkok, hengerfejek



26

Miskolci Egyetem


Az alumínium ötvözetek alkalmazásának változása az autóiparban



Alumínium az Audi autógyártási profiljában • Az első Al karosszéria az Al2 modell (A2 széria) – eredmény: 135 kg tömegcsökkentés • Felsőkategóriás Audi: A8 – Tömegcsökkentés: 239 kg – A karosszéria elemek mellett további Al elemek » Első- és hátsó felfüggesztések » Egyéb teherviselő elemek


27

Miskolci Egyetem




Miskolci Egyetem

Mercedes SL modell alumíniumból készült elemei


29

28



Több-komponensű (multi-material) autó koncepció



5

30


Miskolci Egyetem


Miskolci Egyetem

Porsche 911 karosszéria váz


Alumínium a buszgyártásban – a BYD koncepció

Acél Alumínium ötvözet


31

Miskolci Egyetem




Miskolci Egyetem

Alumínium a légi iparban


33

Miskolci Egyetem

32



Magnézium és ötvözetei a járműiparban




34

Miskolci Egyetem



További példák a magnézium növekvő alkalmazására és hatása

Magnéziumból készült alkatrészek VW Group

2008 Cadillac CTS

2009 Ford F150


35



6

36


Miskolci Egyetem


Miskolci Egyetem

Titán alkalmazása az autóiparban


A titán lehetséges alkalmazásai a gépjárműiparban

Volkswagen LUPO V. Műszaki Értelmiség Napja

37


Miskolci Egyetem



Átlagos tömeg (kg) Vasalapú fémek Al és könnyűfémek Műanyagok Egyéb (üveg, textil, stb.)


2000

1800

1100

- 39 %

45-50 %

- (23-25) %

3-5 %

10-15 %

200-233 %

10-15 %

20-22 %

100-200 %

15 %

13 %

- 13 %

39

Miskolci Egyetem

• Növekvő globális autópiaci verseny – Nagyobb modell diverzifikáció – Rövidebb modellváltási ciklusok – Fokozott fogyasztói elvárások és növekvő minőségi követelmények – Fokozott törvényi előírások • Az autóipar válasza e kihívásokra – Fokozódó mértékben a fogyasztói igényekhez igazított autók – Párhuzamos innovációs és költségnyomás, erőteljesebb fejlesztési igények, követelmények » az anyagok » a technológiai eljárások és » a szerszámozás terén






A technológiai és szerszámfejlesztések összefoglalása

• Anyagfejlesztések – Korszerű, új acélanyagok kifejlesztése » Nagy szilárdságú, extra és ultra nagyszilárdságú acélok » Kettős fázisú (DP), TRIP, TWIN, BH acélok » Press hardening acélok – Nem-vas fémek és ötvözetek növekvő arányú alkalmazása » Alumínium és ötvözetei » Magnézium és ötvözetei – Nem-fémes anyagok növekvő arányú alkalmazása » Polimerek » Kerámiák » Kompozitok 41

40

Miskolci Egyetem

Az anyagfejlesztések összefoglalása



Összefoglalás – Következtetések

Változás %-ban

60-65 %


Miskolci Egyetem

Anyagok alkalmazási tendenciáinak összefoglalása

1975

38

• Néhány kiemelkedő technológiai innováció az autóiparban – Lemezek HydroForm alakítása – Lézeres alakítás – Melegalakítás – Press hardening – Szuperképlékeny alakítás – Inkrementális alakítás – A technológiai folyamatok teljes körű monitorozása – Integrált termék, technológia és szerszám fejlesztés – A számítógépes tervezés és gyártás teljeskörű alkalmazása • A digitális szerszámüzem koncepció elterjedése



7

42


Miskolci Egyetem


Köszönöm a figyelmüket! Az előadásban ismertetett kutatási program előzményeit a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-20100001 projektben megkezdett kutatómunka jelenti. A vázolt kutatási feladat megvalósítására a 2013-2014 évekre elnyert TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 projekt keretében kerül sor.


43


8

JÁRMŰIPARI ANYAGFEJLESZTÉSEK FÉMES ÉS NEM-FÉMES ANYAGOK A JÁRMŰIPARBAN

Recommend Documents