Kiemelten nagyszilárdságú acélok vegyes kötése MIG eljárással

Anyagtudomány és Technológia Tanszék

Kiemelten nagyszilárdságú acélok vegyes kötése MIG eljárással TDK dolgozat 2015

Beadás helye:

Gépészmérnöki Kar

Készítette:

Kalácska Eszter (FYUKDZ) II. évfolyamos BSc hallgató

Konzulens:

Dr. Májlinger Kornél, adjunktus

1

Tartalom 1

Bevezetés ............................................................................................................................ 3

2

Célkitűzés ............................................................................................................................ 5

3

Szakirodalmi összefoglaló .................................................................................................. 5

4

5

3.1

A TRIP acéltípus ......................................................................................................... 6

3.2

A TWIP acéltípus ........................................................................................................ 7

3.3

A felhasznált huzalelektróda ....................................................................................... 8

3.4

A TWIP és TRIP lemezek hegesztéséről ..................................................................... 9

Felhasznált anyagok és eszközök...................................................................................... 15 4.1

A hegesztett kötés létre hozása .................................................................................. 16

4.2

A minták jelölésrendszere ......................................................................................... 18

4.3

A kötések metallográfiai vizsgálatai.......................................................................... 19

4.4

Az alapanyagok összetételének és mikroszerkezetének vizsgálata ........................... 21

4.5

A kötések keménységeloszlásának vizsgálata ........................................................... 23

4.6

A szakítóvizsgálatokról ............................................................................................. 24

Eredmények és kiértékelésük ............................................................................................ 26 5.1

A hegesztési kísérletek eredményessége ................................................................... 26

5.2

Felhasznált anyagok összetétele és a metallográfiai vizsgálatok kiértékelése .......... 31

5.2.1

Az alapanyagok összetétele és metallográfiai vizsgálata ................................... 31

5.2.2

Az alapanyagok átlagos szemcsenagysága és fázisanalízise.............................. 32

5.3

A kötések metallográfiai vizsgálatainak kiértékelése ................................................ 34

5.4

A kötések keménységeloszlása .................................................................................. 37

5.5

A szakítóvizsgálatok eredményei .............................................................................. 39

6

Összefoglalás .................................................................................................................... 43

7

Köszönetnyilvánítás .......................................................................................................... 44

8

Mellékletek ....................................................................................................................... 45

9

Felhasznált irodalom ......................................................................................................... 48

2

1 Bevezetés Az autóiparban kiemelt fontosságú szerepet kap a járművek környezetbarát kialakítása, a fogyasztás és így a szennyezőanyag-kibocsátás redukálása. Az üzemanyagigény csökkentésének egyik módja a járművek össztömegének csökkentése, amelyet nagy szilárdságú autóipari acélok alkalmazásával is elérhetünk. Ezen acéltípusok felhasználása a karosszéria építésénél a kisebb tömeg mellett az utasok nagyobb fokú biztonságát is eredményezi. A személygépjárművek karosszériájának építésénél a váz oldalsó elemeihez nagy energiaelnyelő-képességű acélok szükségesek az utastér védelme érdekében. Az ilyen tulajdonságú acéltípusok nagy szilárdsággal is rendelkeznek. Egy esetleges ütközés során olyan elemek nyújthatnak biztonságot az autóban ülők számára, amelyek szakítószilárdsága eléri a 800-1000 MPa-t. A karosszériaelemek jellemző szilárdsági eloszlását az 1.1. ábra szemlélteti, a kiemelten nagyszilárdságúak piros színnel jelöltek Az AHSS azaz Advanced High Strength Steel (Kiemelten nagyszilárdságú acélok) eleget tesznek a piros színű tartomány által támasztott szilárdsági követelményeknek. Az AHSS, csoportjába sorolhatók a TRIP,

(TRansformation

Induced

Plasticity-

fázisalakulás

keltette

képlékenységgel

rendelkező) illetve TWIP (TWinning Induced Plasticity- Ikresedés keltette képlékenységgel rendelkező) acéltípusok is. A TRIP acél ferrit és bénit mátrixba ágyazott maradék ausztenitből áll. A maradék ausztenit az anyagban bekövetkező maradó alakváltozás hatására martenzitté alakul át, ezzel növekszik az anyag szilárdsága és keménysége. Ötvözőként a karbonon kívül mangánt, szilíciumot és krómot tartalmaz [1]. Az autóipar nagy energiaelnyelő-képessége és törési szívóssága miatt küszöbök, pillér- és lökhárító megerősítések, hosszirányú gerendák gyártása során alkalmazza ezt az acélminőséget.

3

1.1. ábra A személygépjárművek karosszériájának építésénél felhasznált anyagok szakítószilárdsági tartományai [2, 3] Az autóiparban a TRIP mellett jelenleg igen kedvelt acélminőség a TWIP acélcsoport. (A korszerű, gyakran alkalmazott acélok csoportosítása az 1.2. ábrán látható.) Kiemelkedő szakítószilárdságuk mellett jó alakítható-képességgel és kiváló törési szívóssággal (K1c) rendelkeznek. Nagy mangán tartalmuk miatt szobahőmérsékleten is ausztenites acélok. A mangán mellett ötvözőként karbont, alumíniumot és szilíciumot tartalmaznak [4]. Kísérleteink során hidegen hengerelt TWIP 1000 (az alapanyag szakítószilárdsága legalább 1000 MPa) és TRIP 800 (az alapanyag szakítószilárdsága legalább 800 MPa) acéllemezeket hegesztettünk össze a hengerlés irányára merőlegesen (az ívhosszt e miatt tudtuk pontosan beállítani). A továbbiakban ezen próbatestek vizsgálatával, az eljárás minősítésével foglalkozunk.

1.2. ábra Korszerű autóipari acéltípusok csoportosítása [5]

4

2 Célkitűzés Vékonylemezek semleges védőgázas fogyóelektródás ívhegesztésével (a továbbiakban MIG) foglalkoztunk: TRIP 800 és TWIP 1000 lemezekből készített TRIP-TRIP, valamint TRIP-TWIP kötések mikroszerkezeti és szilárdságtani vizsgálatát tűztük ki fő célunknak. Ennek keretében célul tűztük ki az alapanyagok (TRIP, TWIP lemezek, beleértve a huzalelektródát is) vizsgálatát metallográfiai és szilárdságtani szempontból, valamint az kémiai összetétel megállapítását, majd a kapott eredmények összehasonlítását a szabványban szereplő értékekkel. Kutatásunk fő célja jó minőségű TRIP-TRIP kötés és TRIP-TWIP vegyeskötés létrehozása volt, a hegesztési paraméterek optimalizálásával. Célunk a jónak vélt kötések minősítése szakítóvizsgálattal és metallográfiával, valamint keménységmérésekkel való verifikálása. További céljaink a varrat és hőhatásövezet szövetszerkezeti változásainak kvantitatív elemzése, az ott jelen lévő szövetelemek felmérése. Kutatásunkat kooperációban végeztük az olaszországi Bolzano egyetem professzorával, Dr. Russo Spena Pasquale-lal.

3 Szakirodalmi összefoglaló A személygépjárművek utastérét fokozottan védeni kell, ami arra ösztönzi a jelen és jövő kutatóit, hogy minél nagyobb szilárdságú, törési szívósságú, de ugyanakkor könnyű acélcsoportokat fejlesszenek ki. Kiemelt biztonságot nyújtanak a nagy energiaelnyelőképességgel rendelkező acélok, amelyek az esetleges ütközés energiáját belső szerkezetük átalakítására és alakváltozásra tudják fordítani. A következő fejezet ezeket az acéltípusokat és hegesztési eljárásaikat mutatja be. Jelen fejezetben taglaljuk a felhasznált anyagok ipari alkalmazási területeit, az anyagok kedvező tulajdonságait. Ismertetjük az összetételüket, gyártási eljárásaikat.

5

3.1 A TRIP acéltípus A TRIP acélok nagy szilárdságuk és törési szívósságuk okán szívesen alkalmazott acéltípusok. A többfázisú anyagok csoportjába tartoznak, szövetszerkezetükben a ferrit és bénit mellet maradék ausztenit és kis mennyiségű martenzit található. Ha maradó alakváltozás során a szükséges mennyiségű aktivációs energia biztosított, akkor a maradék ausztenit martenzitté alakul át és ezáltal az anyag keménysége növekszik [6]. A kereskedelemben kapható TRIP 800 acélok körülbelül 3,5 tömeg % (továbbiakban m%) ötvözőt tartalmaznak. Elsődleges ötvözője a szén (0,19…0,55 m%) mellett a mangán (0,2…2,5 m%) és a szilícium (0,4…1,9 m%). A kívánt mikroszerkezet és mechanikai tulajdonságok elérése miatt tartalmaz még alumíniumot, foszfort, molibdént és krómot. A felhasznált TRIP 800 szabványos összetételét, a 3.1. táblázat tartalmazza.

3.1. táblázat A felhasznált HCT800T (1.0948)TRIP 800 acél szabványos összetétele Összetétel (m%) Fe

C

Si Mn

Cr

Mo

Ni

Al

Co

Cu

Nb

96,0 0,273 1,52 2,1 0,0149 <0,01 <0,01 0,25 <0,01 0,01226 0,01 A szén kiemelt szerepet játszik a TRIP acélok mikroszerkezetében található maradék ausztenit szobahőmérsékleten történő stabilizálásában. Meghatározza a hőkezelés során kialakuló ausztenit mennyiségét és szobahőmérséklet alá csökkenti a martenzit képződés kezdő hőmérsékletét [1]. A mangán erős ausztenit stabilizátor, megakadályozza a cementit kiválásokat, ezáltal növeli az ausztenit karbontartalmát [7]. A szilícium növeli a cementitkiválás kezdeti hőmérsékletét. Hátráltatja a cementit-képződést a hőkezelés ausztenitesítési folyamata során, így a mangánhoz hasonlóan növeli az ausztenit karbontartalmát.

Az

alumínium

a

szilíciumhoz

hasonlóan

szintén

hátráltatja

a

cementitképződést, de azzal ellentétben gyorsítja a bénites átalakulást. Kis mennyiségű foszfor alkalmazása visszaszorítja a cementitképződést és növeli a szobahőmérsékleten található ausztenit mennyiségét. A molibdén hozzáadása a galvanizálás minőségét javítja, ami az acéllemez felületkezelése szempontjából szükséges [1]. A TRIP acélok hőkezelése öt fázisban zajlik, ezt mutatja be a 3.1. ábra. Az acélt Ac1 hőmérséklet fölé hevítik, a hidegen hengerelt lemez újrakristályosodik. Ezt követően a középkritikus tartományban (α+γ) hőn tartják, az ausztenit karbontartalma növekszik míg eléri az egyensúlyi koncentrációt. Harmadik lépésben az anyagot izotermikus bénites átalakulásnak 6

vetik alá, az ezt megelőző hűtési sebesség (3.1. ábra, 3. Gyors hűtés) 10 és 50 C⁰°s-1 között

Hőmérséklet (⁰C)

változhat.

3.1. ábra A TRIP acélok hőkezelésének technológiai diagramja [1] Hűtés után az acélt a bénites átalakulás hőmérsékletén tartják, a maradék ausztenit szénben dúsul. Végül az acélt tovább hűtik szobahőmérsékletre. A martenzitképződés kezdő hőmérsékletétől függően a bénites átalakulás során még át nem alakult ausztenit martenzitté alakul. A hőkezelés fent említett öt lépésének eredményeként a TRIP szövetszerkezete (tf%) jellemzően 60-70% ferritet, 20-30% bénitet, 5-15% maradék ausztenitet és kis mennyiségű, 23% martenzitet tartalmaz.

3.2 A TWIP acéltípus A 2000-es évtől kezdve vállal kiemelt szerepet az autóiparban a TWIP acélcsoport. A nagy mangántartalmú (15-25 m%) acélok kiemelt szívósságuk és szilárdságuk miatt kedveltek. A nagy mennyiségű ötvözők okán a TWIP acélok szobahőmérsékleten is ausztenitesek, sűrűségük lényegesen kisebb a hagyományos acélokénál [5]. Kiváló alakíthatóságát

az

ikersíkoknak

köszönheti.

Szakadási

nyúlása

eléri

az

50%-ot,

szakítószilárdsága pedig az 1000 MPa-t [8]. Az autóipar kevés lemezalkatrészt gyárt TWIP 7

acélból, hiszen ezen acélcsoport jelenleg is fejlesztés alatt áll. Egyes feltételezések szerint 1015 év elteltével azonban a személygépjármű karosszéria mintegy 15%-át a TWIP acélok fogják kitenni. Jelenleg felhasználásuk lengéscsillapító alkatrészekre szorítkozik: elülsőoldalsó karosszériaelemeket készítenek belőle [9]. A kísérlet során felhasznált TWIP 1000 lemez összetételét a 3.2. táblázat tartalmazza [8]. A nagy mangán tartalom jelenléte azért indokolt, mert szobahőmérsékleten stabilizálja az ausztenitet, felületen középpontos köbös rácsú, kis rétegződési energiájú (15-40 10-3Jm-2) acélt hozva létre [10]. 3.2. táblázat A felhasznált 22Mn0.6C TWIP lemez szabványos összetétele Összetétel (m%) C

Si

Mn

Cr

Ni

0,66

0,2

23,4

0,13

0,03

Mo

B

0,12 0.0021

A TWIP ikresedésre való hajlama az elemi cellájának rácsszerkezetéből fakad. Egyes kutatások szerint [5] a felületen középpontos köbös és a hexagonális rácstípusok nagy mértékben képesek az ikerképzésre. További érdekes tény a TWIP acélokról, hogy a Mn, Al és Si ötvözők miatt kétféle martenzites átalakulás mehet végbe bennük. Az ausztenit először egy hexagonális rácsszerkezetű, úgynevezett ε-martenzitté alakul át, majd ezt követően alakul át karbonban túltelített, tetragonálissá torzult α-ráccsá. Az ε-martenzit szintén hajlamos az ikresedésre.

3.3 A felhasznált huzalelektróda A kötések elkészítéséhez 0,8 mm átmérőjű AWS ER 307 Si (DIN EN ISO 14343-A) szabványos huzalelektródát alkalmaztunk. A huzalelektróda kis C, valamint nagy mennyiségű Cr , Mn, Si és Ni tartalma okán kiváló hegesztési tulajdonságokkal rendelkezik, hidegalakítás hatására felkeményedik. Az EWM AG katalógusa szerint [11] ezen huzalelektróda alkalmas vegyeskötések és párnarétegek hegesztésére. Használata hegesztés-kritikus acéloknál, rugó-, szerszám-, betétben edzhető-, nagy Mn tartalmú acélokhoz, fekete- és fehérkötések esetén javasolt. Mechanikai tulajdonságait a 3.3 táblázat ötvözőinek mennyiségét a 3.4. táblázat tartalmazza.

8

3.3. táblázat Az AWS ER 307 Si

3.4. táblázat Az AWS ER 307 Si

huzalelektróda mechanikai tulajdonságai

huzalelektróda ötvözőinek szabvány

[11]

szerinti mennyisége [11]

Szakítószilárdság, Rm (MPa)

650

Folyáshatár, Rp0,2 (MPa)

450

Szakadási nyúlás, A5 (%)

42

Ütőmunka 20 és -80 °C-on, KV (J)

Összetétel (m%) C

Si

0,08 0,85

Mn Cr Ni 7

18 8

120/60

3.4 A TWIP és TRIP lemezek hegesztéséről Gazdaságos, szinte hulladékmentes módja a különböző anyagok nem oldható kötésének a hegesztés. Számos hegesztési eljárást ismerünk (láng, ív, ellenállás, lézeres, stb hegesztések alfajait). A személygépjárművek karosszériájának építésénél elkerülhetetlen az egyes elemek egymáshoz rögzítése. Ennek leghatékonyabb módja a hegesztés. A különböző fémből és ötvözetből készített szerkezeti elemek oldható vagy oldhatatlan kötéssel egyesíthetők. Az oldhatatlan kötések közül a szegecselés hosszú évekig egyeduralkodó volt. Az 1800-as évek végén kezdtek kifejlődni és tért hódítani a korszerű hegesztési eljárások. Definíció szerint a hegesztés munkadarabok egyesítése hővel, nyomással vagy mindkettővel, aminek során az anyagok természetének megfelelően fémes (kohéziós) kapcsolat jön létre. A nem fémes szerkezeti anyagok közül főleg a hőre lágyuló műanyagok hegeszthetők hő és nyomás alkalmazásával. A hegesztés az új gyártmányok előállításán kívül törött alkatrészek újraegyesítésére (kötőhegesztés) vagy kopott szerkezeti elemek méretnövelő javítására is alkalmas, illetve gyakran használatos korrózió- vagy kopásálló felületi réteg (pl. késélek) felrakására (felrakó hegesztés) is [12]. Kialakítás szempontjából a hegesztés történhet hőhatás segítségével (ekkor az anyag képlékeny vagy olvadt), nyomással vagy nyomás alkalmazása nélkül, hegesztőanyag hozzáadásával vagy anélkül. A kötési mód alapvető előnye, hogy a hegesztett szerkezetek könnyen és gyorsan előállíthatók, nagy súlymegtakarítást tesznek lehetővé és általában olcsóbbak, mint a kovácsolt, öntött vagy szegecselt szerkezetek. A gazdaságosságon túl a hegesztés legfőbb előnye, hogy segítségével kedvező konstrukciójú modern acél-, híd-, gépjármű-, és hajószerkezetek stb. állíthatók elő. Továbbá bizonyos javítási munkálatok a hegesztés alkalmazása nélkül nem lennének kivitelezhetők. A kötés hátránya lehet a varratban 9

bekövetkező mikroszerkezet-változás, amely meghatározza a kötés mechanikai tulajdonságait. A tervezéskor figyelembe kell venni a fellépő feszültségek, szövetszerkezeti átalakulások, valamint a keménység és rugalmasság változásait [13]. Hegesztéskor ritkán lehet hibamentes kötést készíteni, azonban ismerni kell azokat a határokat, amelyeken belül az eltérések (hibák) még megengedhetők, és jelenlétük nem rontja jelentősen a kötés minőségét és a hegesztett szerkezet megbízhatóságát. A hegesztési eljárások a hegesztett kötés létesítéséhez szükséges energia szempontjából osztályozhatók.

Eszerint

megkülönböztetünk

ömlesztő-,

ömlesztve-

sajtoló

és

sajtolóhegesztési eljárásokat. Az ömlesztő hegesztési eljárások során hőenergia hatására az alapanyag, illetve szükség esetén a hegesztőanyag megömlik és dermedés után varratot képez. A sajtolóhegesztési eljárások során a hegesztett kötést erőhatás (hidegsajtolás) hozza létre, de egyes eljárások során a munkadarabok egy kis anyagtérfogata a melegalakítás hőmérséklettartományába hevül és meg is olvadhat. A sajtolóhegesztéskor megolvadó felületi anyagréteg az esetek többségében nem válik a kötés részévé, hanem a szennyeződéseket sorjába „viszi” a sajtolóerő alkalmazásakor [14]. A hegesztőeljárások csoportosítását a 3.2. ábra szemléleti.

3.2. ábra A hegesztőeljárások csoportosítása [12] Kísérletünkben argon védőgázas fogyóelektródás ívhegesztést alkalmaztunk (MIG/AFI) rövidzárlatos ívvel, így a továbbiakban ezt az eljárást szeretnénk részletesen bemutatni. Az 10

AFI eljárás esetén az ív egy folyamatosan előtolt huzalelektróda és a munkadarab között ég. (Az eljárás vázlatát a 3.3. ábra mutatja be.) A berendezés áramforrásból, huzalelőtolóból, gázpalackból,

tömlőkötegből,

és

hegesztőpisztolyból

áll.

A

hegesztést

általában

egyenárammal (többnyire fordított polaritással) végzik, így az áramforrás egyenáramú berendezés (egyenirányító). A hegesztőhuzal lehet tömör vagy töltött. A huzal kémiai összetétele, felületi tisztasága, állapota, a pisztolyból való kinyúlása stb. ugyancsak befolyásolhatja a varrat minőségét. A hegesztőhuzalon átfolyó áramerősség függ a huzalelőtolás sebességétől. Nagyobb huzalelőtolási sebesség esetén a leolvadásnak nagyobbnak kell lennie, és ezért az áramerősség növekedése révén nő az ív teljesítménye. A hegesztőpisztoly vezeti a huzalt a hegesztési helyre, védi a hegfürdőt és a leolvadó fémcseppeket, átadja az áramot a huzalra. A fogyóelektródás, védőgázos ívhegesztés a bevont elektródás ívhegesztésnél nagyobb leolvadási teljesítményű, gazdaságosabb ömlesztőhegesztési eljárás. Jól gépesíthető és emiatt alkalmas automatizálásra, robotizálásra.

3.3. ábra A védőgázas fogyóelektródás ívhegesztés elrendezése [14] Ha a védőgáz semleges gáz, akkor az nem lép reakcióba a folyékony fémmel, és ezért az eljárást fogyóelektródás, semleges védőgázos ívhegesztésnek (131-es eljárás, Metal Inert Gas, röviden MIG) nevezik. Argon védőgáz alkalmazása esetén ezt az eljárást röviden AFI-nak nevezik. Erősen ötvözött acélok, alumínium és ötvözetei, nikkel, titán stb. alapanyagok közti kötésre kiválóan alkalmas. Fontos, hogy a varrat minősége igen érzékeny a védőgáz tisztaságára és annak a gázfúvókából kiáramló mennyiségére [14]. Iparilag elfogadható minőségű varratot AFI hegesztésnél a kritikusnál nagyobb (i> 100 A/mm2) áramsűrűség mellett lehet elérni. Ha az áramsűrűség a kritikusnál kisebb, az elektródafém nagy cseppekben 11

jut át a hegfürdőbe, az ív stabilitása nem kielégítő, ellenben megfelelő áramsűrűség alkalmazásánál az anyagátmenet finomcseppes, permetszerű, az ívstabilitás szignifikánsan növekszik. A nagy áramsűrűség olyan gyors elektródhuzal – leolvadást eredményez, hogy állandó ívhossz csak az áramforrás automatikus, belső szabályozásával érhető el [15]. A védőgázas fogyóelektródás ívhegesztésnél különféle anyagátviteli módok valósíthatók meg. Az ívtípust az anyagtól, anyagvastagságtól, hegesztési helyzettől és a varrattal szemben támasztott követelményektől függően kell kiválasztani. Az általunk alkalmazott rövidzárlatos ív alacsony leolvasztási teljesítmény esetén javasolt, különösen vékonylemezekhez, gyök illetve kényszerhelyzetű hegesztésekhez. A rövidzárlatos ív miatt előfordulhat fröcskölés, amellyel számolni kell [16]. A szakirodalomkutatást elvégezve a TWIP és TRIP acélok hegesztéséről azt tapasztaltuk, hogy bár a MIG eljárás számos kedvező tulajdonsággal bír, ezzel kapcsolatban még nem publikáltak vizsgálati eredményeket. Az alábbiakban néhány kapcsolódó munkát foglalunk össze. Tao Wang és társai CW CO2 lézersugárral hegesztettek össze TWIP lemezeket és vizsgálták a varrat mechanikai tulajdonságait és mikroszerkezetét. A mikroszerkezeti vizsgálatok során röntgen diffrakciós eljárást, transzmissziós elektronmikroszkópot (TEM) és pásztázó elektronmikroszkópot alkalmazott (SEM), amelyek segítségével megállapították, hogy a varrat homogén, ausztenites szerkezetű lesz, a benne található dendrit kristályok rontották a mechanikai tulajdonságokat. Kutatásuk szerint a szakítóvizsgálatok esetében a varratban bekövetkezett törés ezeknek a dendritkristályoknak köszönhető [17]. Dulal Chandra Saha és kollégái a TWIP acél hegesztése során, a hőhatásövezetben (HAZ) jelentkező melegrepedésekkel foglalkoztak ellenállás ponthegesztés esetén. Tanulmányozták a repedések geometriáját és megállapították, hogy a hegesztési áram erőssége a repedések számára igen érzékeny paraméter [18]. M. H. Razmpoosh és társai szintén a TWIP acélok ellenállás ponthegesztésével foglalkoztak. Ez a kutatócsoport viszont a lemezek mikroszerkezeti változásaira fektetett nagy hangsúlyt. Kimutatták, az ömledék dendrites szerkezetű lesz. A mikrokeménység vizsgálata szerint a hőhatásövezetben a keménység kis mértékben visszaesett és ugyanitt egy keskeny sávban szemcsedurvulás következett be. A mikroszerkezetet fénymikroszkóppal (OM) és SEM-el vizsgálták [19].

12

S. S. Nayak kutatócsoportja TRIP acéllemezeket kötöttek össze ellenállás ponthegesztéssel. Felhasznált alapanyagaik AT: C–Mn–Al, AST: C–Mn–Al–Si és ST: C–Mn–Si összetételű TRIP lemezek voltak. Kutatásuk céljául tűzték ki a mikroszerkezet és a keménység közötti összefüggések felfedezését. Egy pneumatikus, váltóáramot használó hegesztőgéppel hozták létre a kötéseket 60 Hz frekvenciával, majd a próbatesteket keresztben elvágva, Viella oldatban, 6-8 s ideig maratva megmérték a varrat szélességét, amely AT lemez esetén 5.83 mm, AST-nél 5.77 mm, míg ST lemeznél 5.61 mm-nek adódott. Műgyantába ágyazott keresztcsiszolatokat készítettek belőlük. A beágyazás után SiC papírokkal csiszolták és gyémánt suszpenzióval polírozták. A polírozást követően a 2 %Nitallal maratott minták mikroszerkezetét SEM-mel vizsgálták, a varrat fázisanalízisét röntgen diffrakciós eljárással végezték el. A varrat mikroszerkezetéről TEM felvételek is készültek. Ezen eljárások segítségével megállapították, hogy a varrat az AT acélnál martenzites–ferrites (kb 15 %), az AST-nél martenzites-bénites-ferrites szövetszerkezetű, az ST esetén pedig tiszta martenzites. A minták keménységét mikro Vickers eljárással határozták meg, 200 g-nak megfelelő terhelő erőt, és 15 s terhelési időt alkalmazva. A varratban a keménység 450-520 HV0.2 között változott [20]. Murugayian Amirthalingam PhD értekezésében a nagy Si és Al tartalmú TRIP acélok hegesztés

utáni

mikroszerkezeti

változásait

kutatta.

Lézersugárral,

védőgázas

wolframelektródás ívhegesztéssel, valamint ellenállás ponthegesztéssel hozta létre a kötéseket. A wolframelektródás ívhegesztés esetében megállapította a folyamat hőciklusát. A hegesztés középvonalától mérve, a nagy Si tartalmú TRIP lemez esetén 3,5 mm-re a maximális hőmérséklet 1058 ⁰C volt, ez a tartomány 520 ⁰Cs-1 sebességgel hevült és 200 ⁰Cs-1 sebességgel hűlt le. A középvonaltól 12 mm-re a hegesztés során mért maximális hőmérséklet már csak 400 ⁰C, a hevítési- és hűlési sebességek pedig 80, illetve 40 ⁰C volt. Egy lézer szkenner segítségével 0,1 mm pontossággal a lemezek hegesztés utáni deformációját is meg tudta mérni. Mérései szerint a deformáció mértéke a keresztmetszet mentén lineárisan növekszik, a varrat középvonalától 45 mm távolságban mérve 1,5 mm mértékű. A kötések kvantitatív fázisanalízisét szinkrotron röntgen-diffrakciós és mágneses telítődés vizsgálattal végezte. A varrat középvonalától 2 mm-re maradék ausztenit 5-8 %-át, 10-14 mm-re 11 %-át tette ki a szövetszerkezetnek [1]. P. Russo Spena és társai TWIP és 22MnBr5 lemezekből hoztak létre vegyes kötéseket ausztenites szerkezetű, rozsdamentes huzaleketródával (3.4. ábra) Foglalkoztak a 13

hőhatásövezet

mikroszerkezetében

bekövetkezett

mikroszerkezeti

változásokkal,

megállapították a kötések mechanikai tulajdonságait. A metallográfiai mintákat 3 % Nitallal (3 % HNO3 etanolban) maratva a TWIP lemez alapanyaga 3 µm-es szemcsenagyságú, ausztenites szerkezetű volt, a lemez leolvadás helyén szövetszerkezete nem változott, a szemcsék 40-50 µm méretűre durvultak. A 22MnB5 hőhatásövezetében jelentős mennyiségű martenzitet találtak. A metallográfiai vizsgálatokat SEM-mel és röntgen-diffrakciós eljárással végezték. A HV0.1 eljárással mért mikrokeménységi értékek a következők voltak: a TWIP lemez hőhatásövezetében és a varratban 200-250 HV0,1, a 22MnB5 hőhatásövezetében 450470 HV0,1. A kötések szakítószilárdsága méréseik alapján 716-881 MPa [8].

3.4. ábra A tompán összehegesztett TWIP és 22MNB5 lemezek mikroszkópi képe [8] M. Rossini és társai TWIP (1,55 mm), 22MnB5 (0,8 mm) és DP (0,8 mm vastagságú, Dual Phase- két fázist tartalmazó acéltípus) Nd-YAG eljárással tompán hegesztett vegyeskötését készítette el egy antropomorf ipari robot segítségével, majd elemezte metallográfiai és mechanikai szempontból. A kötések keresztcsiszolatait 3 % Nitallal maratták, valamint 200 gnak megfelelő terhelő erővel mikrovickers keménységmérési eljárással határozták meg a minták keménységeloszlását. Az alapanyagok keménységét HV30 eljárással adták meg. A metallográfiai vizsgálataik szerint a TWIP lemez homogén, ausztenites szerkezetű és 5 µm-es szemcsenagysággal rendelkezik. A 22MnB5 acél (a laborban történt előzetes hőkezelés miatt) martenzites szerkezetű, míg a DP acél ferrites-martenzites. A TRIP acél szövetszerkezete martenzitből, ferritből és ausztenitből állt. Eredményeik alapján a TWIP acél keménysége 250 HV30, a 22MnB5 lemezé 480 HV30 , míg a DP és TRIP lemezé 240-260 HV30. A hegesztett kötések keménysége a varratvan, a kötés típusától függetlenül 390-445 HV0,2, amely

a

martenzit

hőhatásövezetében

a

jelenlétét keménység

igazolja.

Párosítástól

230 HV0,2 értékre

függetlenül redukálódott,

a

TWIP

mivel

a

lemez lemez

szemcsedurvulást szenvedett: átlagos szemcsemérete 5 µm-ről 30-40 µm-re növekedett. A szakítóvizsgálatok eredményei szerint a TWIP-TRIP vegyeskötés szakítósszilárdása 500 MPa, szakadási nyúlása 1 %, a kötés a varrat helyén szakadt el [9].

14

L. Mujica és társai TWIP Fe-22Mn-0,6C 1,5 mm-es és TRIP 800 1 mm-es lemezek vegyeskötését vizsgálták. Az alapanyagok összetételét optikai emissziós spektrométerrel adták meg. A kötést lézeres eljárással (Nd:YAG) hozták létre. A mikroszerkezetet keresztcsiszolatok Energiadiszerzív

segítségével

analizálták,

röntgen-spektrométerrel

amelyeken

vizsgálták

a

színesmaratást hegesztés

végeztek

okozta

el.

kiválásos

jelenségeket. Az EBSD adatok kiértékelésével meghatározták a lokális kristályorientációkülönbségeket és az átlagos szemcseméretet. A kötés mechanikai tulajdonságait mikrokeménység méréssel (HV0,05) és szakítóvizsgálattal határozták meg. Kutatásuk fontos eredménye a hőhatásövezetben bekövetkezett szemcsedurvulás felismerése és az ott jelen lévő martenzit kvalitatív meghatározása, ezen tényezők jelentősen befolyásolták a mechanikai jellemzőket. A legkisebb keménységi értéket a TRIP alapfémben mérték, értéke 230 HV0,05 volt, a beedződött TRIP hőhatásövezetben a keménység 350 és 450 HV0,05 között, a varratban 250 és 350 HV0,05 között változott, a TWIP alapfém 230-250 HV0,05 értéket vett fel. A kötés folyáshatára méréseik alapján Rp0,2=355 MPa, szakítószilárdsága Rm=806 MPa, fajlagos nyúlása pedig A=18,5%. A színesmaratást követően megállapították, hogy a varrat átlagos szemcsemérete eléri a 90 µm-t, TWIP lemezé a hőhatásövezetben 40 µm, az alapfémben 20 µm, míg a TRIP lemezé valamivel kisebb: a hőhatásövezetben 14 µm, az alapfémben pedig 10 µm [21]. 3.5. táblázat A TRIP lemez egyes tartományaiban található szövetelemek mennyisége EBSD méréseik alapján [21] A szövetelemek aránya (%) Tartomány Ferrit Bénit Martenzit Maradék ausztenit Alapanyag 89,4 5,1 3,1 2,4 HAZ1 36,7 52,4 10,6 0,3 HAZ2 13,7 62,5 23,4 0,4 A kvantitatív fázisanalízist EBSD méréssel készítették el, eredményeiket a 3.5. táblázat tartalmazza. Eredményeik alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a mindkét lemezen 4 mm-es HAZ tartományok közül a TRIP lemezén keletkeztek szignifikáns változások. A rugalmas alakváltozások esetében a TWIP acél tulajdonságai dominánsak, míg a maradók esetén a TRIP acél jellemzői érvényesülnek. A lézeres hegesztés optimalizálására javasolták a lézer sugár eltolását a TWIP lemez felé, mivel annak kisebb az olvadáspontja.

4 Felhasznált anyagok és eszközök 15

Kutatásunkban a hegesztett kötések létre hozását követően különböző metallográfiai, valamint mechanikai (mikrokeménység mérés, szakítóvizsgálat) végeztünk el. Az alapanyagok

összetételét

és

az

elszakított

próbatestek

töretfelületét

pásztázó

elektronmikroszkóp segítségével elemeztük. A hegesztett kötésekből készült minták szövetszerkezetét többfajta marószer alkalmazásával analizáltuk. A fent említett eljárásokat és eszközeiket ebben a fejezetben részletezzük.

4.1 A hegesztett kötés létre hozása Az alapanyagként 1 mm-es TRIP 800 és 1,55 mm-es TWIP 1000 lemezek, valamint Ø 0,8 mm-es AWS ER 307 Si huzalelektróda állt rendelkezésünkre. Lemezolló segítségével 50x100 mm-es lemezdarabokat vágtunk le. A lemezolló okozta esetleges deformációkat a lemezdarabok szélén satuban egyenesítettük ki. A lemezdarabokat hegesztés előtt sorjáztuk és acetonnal tisztítottuk. Hegesztőgépként egy Rehm MegaPuls 300 típusú berendezést és hozzá egy REHMtronik pisztolyt használtunk. A hegesztőgéppel beállítható volt a hegesztési áram erőssége és a feszültség. A gép az áramerősség módosításával párhuzamosan a huzalelőtolás sebességét is változtatta. A hegesztő berendezést egy Yamaha gyártmányú lineáris hajtás segítségével vonalhegesztővé alakítottuk. A hajtás kontrollerének segítségével be tudtuk állítani a hegesztés kezdő- és végpontját, valamint a hegesztőpisztoly mozgatásának sebességét. A pisztoly magassága, (manuálisan, tolómérő segítségével állítottuk be minden egyes lemezpár hegesztésénél) így az ívhossz, az ív és a gyök védőgázának áramlási sebessége a hegesztési kísérletek során konstans volt. A következő táblázatban (4.1. táblázat) összefoglaltuk a hegesztési kísérletek konstans és változó paramétereit. 4.1. táblázat A hegesztési kísérletek változó és konstans paraméterei Változó Konstans Áram erőssége Ívhossz: 10 mm Feszültség nagysága Ív védőgáz típus, mennyiség: I1 Ar, 10 l/min Huzalelőtolás sebessége Gyökvédőgáz típus, mennyiség: Ar, 10 l/min Hegesztés sebessége Pisztoly-lemez felületének közbezárt szöge: 90⁰ Leszorító berendezés típusa Ív típus: rövidzárlatos A lemezdarabokat leszorítva hegesztettük. Három féle leszorítási móddal kísérleteztünk. Elsőként trapéz szelvényű réz leszorítót alkalmaztunk, a lemezeket tompán, 0 mm hézaggal egymáshoz illesztve, hegesztettük. Ekkor a lemezek nagymértékű deformációt szenvedtek és 16

a kötés nem bizonyult egytengelyűnek- a leszorító túl kis erővel nyomta a lemezek felületét. Az első fajta kísérleti elrendezést az alábbi, 4.1. ábra mutatja: a)

b)

4.1. ábra Kísérleti elrendezés a) a trapéz szelvényű leszorítóval és b) a leszorító Második leszorítóként az első berendezést módosítottuk. A trapéz szelvényt leszerelve a leszorítót 10-15 mm vastagságú laposvasakkal hézagoltam ki. A lemezek súlya (ezáltal a leszorító erő) nagyobb volt a trapéz szelvénynél, viszont még ez sem bizonyult elegendőnek. A lemezek a hő hatására elmozdultak, a kötés ekkor sem lett egytengelyű. A következő, 4.2. ábra a második fajta leszorítási módot szemlélteti.

4.2. ábra Kísérleti elrendezés a laposvasak segítségével készült leszorítóval Harmadikként egy menetes, laposvasból és lemezekből készült leszorítót alkalmaztunk. A leszorítóba a lemezeket egymáshoz illesztve helyeztük el. Ekkor hegesztés után az egyik lemez vége (körülbelül egy 20-30 mm-es szakaszon) a lemez síkjára merőlegesen elmozdult.

17

Egytengelyű, elmozdulás mentes kötést úgy kaptunk, hogy a lemezeket nem szorosan illesztettük össze, hanem a végüknél 1,5 mm-es hézagot hagytunk (4.3. ábra). a)

b)

4.3. ábra Kísérleti elrendezés a) a menetes leszorító alkalmazása esetén és b) a menetes leszorító berendezés A hegesztési kísérletek során a fent említett változó paraméterek meghatározásához elsőként megállapítottuk, szabad kézi hegesztés esetén mekkora áramerősség, feszültség és sebesség szükséges. Ezt követően módosítottunk egy-egy paramétert annak érdekében, hogy összefüggő, egyenletes varrattal rendelkező kötést hozzunk létre. A kísérletek során az aktuális paramétereket és a velük elért kötés jellemzését jegyzőkönyvben rögzítettük.

4.2 A minták jelölésrendszere Mivel nagyszámú hegesztési kísérletet végeztünk el, (körülbelül 80) igyekeztünk minél egyértelműbben megjelölni a mintáinkat a következőkben ismertetett módon. A mintajel első része a hegesztési áram erőssége Amper mértékegységben, második része a feszültség Volt mértékegységben, harmadik a hegesztési sebességének mms-1-ban mérve, negyedik a leszorító berendezés típusa, („a” betűjel a trapéz szelvényű, „b” betűjel a laposvassal készült, „c” betűjel a menetes leszorító berendezés jele), végül az ötödik tagja a jelölésnek a lemezek végénél hagyott hézag mm-ben mért nagysága. Így pl. a 38-16,4-2,48-c-0 számkombináció egy olyan mintát jelöl, amelynél a hegesztési áram erőssége 38 A, a feszültség 16,4 V, a hegesztés sebessége 2,48 mms-1, menetes leszorító berendezés használatával készült a varrat, a lemezek végénél nem hagytunk hézagot (0 mm). Azokból a varratokból, amelyek egyenletes varrat mellett megközelítették az 1-1,5 mm– es varrat- és gyökmagasságot, metallográfiai minta és szakító próbatest készült. A kötések vizsgálataival párhuzamosan zajlott az alapanyagok elemzése is.

18

4.3 A kötések metallográfiai vizsgálatai A kötésekből készített mintákat kétkomponensű Duracryl Plus műgyantába ágyaztuk, beágyazás előtt a mintát sorjáztuk, alkohollal tisztítottuk. Beágyazást követően a mintákat a következő sorrendben különböző szemcsenagyságú csiszolópapírral csiszoltuk meg, folyóvíz öblítés mellett: P80, P120, P320, P600, P1200, P2500. A csiszolást 1 µm-es szemcsenagyságú Al2O3 szuszpenzióval történő polírozás követte. Végül a minta felületét 0,5 µm-es Al2O3 szuszpenzió

alkalmazásával

políroztuk.

A

csiszolás

és

polírozás

minőségét

fénymikroszkóppal (OM) ellenőriztük. Az alábbi képeken beágyazott, a polírozás után maratott mintákra láthatunk példát (4.4. ábra). a)

b)

c)

4.4. ábra A beágyazott minták makró felvételei a) TWIP-TRIP 30-16,4-2,74-c-1,5 b) TWIP alapanyag c) TRIP-TRIP 38-16,3-2,74-c-0 A kötés szövetszerkezetét marószerek segítségével tettük láthatóvá. A kísérletek során az alábbi marószereket használtuk: 2%-os Nital, (2 ml HNO3, 98 ml etanol) Le Pera, (az „a” oldat: 1 g nátrium-metabiszulfit, 100 ml víz, „b” oldat: 4 g pikrinsav, 100 ml etanol, az „a” és „b” oldat 1:1 arányú keveréke a Le Pera marószer) CrNi marószert, (2 g réz-klorid, 40 ml hidrogén-klorid, 40 ml etanol) Marder és Benscoter, (2 s-ig 2% Nital-ban előmaratás, majd 10 g nátriummetabiszulfit és 100 ml víz keverékében maratás) Rigsbee and Vander Arend-et (2 g ammónium perszulfát, 2 ml hidrogén-fluorid, 50 ml ecetsav, 150 ml víz) A különböző marószerek az egyes szöveteket különböző színűre marják (4.2 táblázat). Ez alapján az egyes maratások után jól megkülönböztethetővé válnak az egyes fázisok. A

19

különböző reagensek összetételét és használati javaslatait Vander Voort, Metallography: Principles and Practice című könyvének függelékéből ismertük meg [22]. 4.2. táblázat A felhasznált marószerek hatása a különböző szövetelemekre Marószer Ausztenit Ferrit Martenzit Bénit Nital 2% nem marja világos sötét nem marja Le Pera fehér barnás fehér fekete Rigsbee és Vander Arend világosabb a ferritnél világos fekete nem marja CrNi fehér világosbarna fekete barna Marder és Benscoter fehér piszkos fehér sötét nem marja A maratott mintákról fénymikroszkóppal 50, 100, 200, 500 és 1000 –szeres nagyításban felvételeket készítettünk a varrat, a hőhatásövezet (Heat Affected Zone, a továbbiakban HAZ) és az alapanyag helyén, (4.6. ábra, továbbá mellékletek) majd ezekből képelemző szoftver segítségével

határoztuk

meg

a

különböző

szövetelemek

mennyiségét.

Az

MSZ EN ISO 643:2012 alapján meghatároztuk az átlagos szemcsenagyságot adott területre jutó szemcsék számából (4.5. ábra). Az eljárás lényege, hogy egy ismert nagyságú kör esetén meg kell számolni a körben lévő szemcséket és hozzá adni a kör által metszett szemcsék számának felét. Az összeggel a kör területét leosztva megkapjuk az átlagos szemcse területét (a), melynek gyöke adja az átlagos kristályméretet (d).

4.5. ábra Az átlagos szemcseméret meghatározása adott területre jutó szemcsék számából [23] A maratás során több probléma merült fel. A marószerek nem hozzák ki elég kontrasztosan a különböző szövetelemeket, így legalább 3-4 féle szerrel kellett a minták felületét maratni. A TRIP-TRIP kötés viszonylag problémamentesnek bizonyult, a két lemez egyformán reagált a marószerekre. Nagyobb kihívást jelentett a vegyes kötés maratása. A TRIP acéltípus sokkal 20

érzékenyebb a marószerekre, mint a TWIP. Ezen okból kifolyólag több alkalommal fordult elő, hogy a TRIP túlmaródott, de a TWIP még nem is reagált a marószerre. A szereket tartalmazó kézikönyv hasábjain előírt maratási idők csak a TRIP lemezre bizonyultak érvényesnek. A beágyazásra került TWIP alapanyagot sokkal hatékonyabban sikerült megmaratni, mint a kötésben található alapanyagot (a hőhatásövezeten kívül eső lemezrészt). A 4.3. b) ábrán látható OM felvételen a mintát Marder és Benscoter reagenssel 60 s ideig maratva a krisztallitok határai és orientációkülönbsége jól kivehető. a)

b)

4.6. ábra OM felvételek a maratott a) TRIP-TRIP 38-16,3-2,74-c-0 CrNi-es és a b) TWIP-TRIP 30-16,4-2,74-c-1,5 Marder és Benscoter reagens alkalmazása után

4.4 Az

alapanyagok

összetételének

és

mikroszerkezetének

vizsgálata A hegeszthetőség megállapításának szempontjából fontos az alapanyag ötvözőinek pontos ismerete. Abban az esetben, ha ismerjük az alapanyag-összetételt, a Schaefflerdiagram (4.7. ábra) alapján megállapítható, hogy a hegesztett kötésben milyen szövetszerkezet várható és ebből következően hajlamos-e meleg-, hidegrepedésre, elridegedésre vagy szemcsedurvulásra [24]. A hegesztéskor problémát jelent, hogy a teljesen ausztenites varrat kristályosodási repedésre hajlamos. A melegrepedés és ezen belül a kristályosodási repedés keletkezésében a szemcsehatárokon, ikerkristály-határokon kiváló vegyületek (Fe2Si, FeS, Fe2Nb, Fe3P, stb.) és ezek vassal alkotott, kisebb olvadáspontú (900...1300 C) eutektikumai (Fe-FeS: 988°C) játszanak szerepet. Ferrites-ausztenites dermedés esetén már nem kell melegrepedésre számítani, de elindulhat egy szintén kedvezőtlen folyamat, az elridegedés. A ferrites, erősen ötvözött acélok szemcséi 950 °C felett gyors növekedésnek indulnak, amelyek a hűléskor –- szemben a hagyományos ferrites acéllal –21

nem finomodnak, mert nem megy végbe átkristályosodás, az acélok a teljes hőmérséklettartományban

térben

középpontos

kockarácsúak

maradnak.

Az

így

bekövetkező

szemcsedurvulás a ferrites krómacélok mechanikai tulajdonságait, elsősorban az ütőmunkáját számottevően rontja, ami hőkezeléssel sem szüntethető meg. A martenzitet is tartalmazó típusokban a szemcsedurvulási hajlam mérsékelt, a stabilizált és a szuperferrites típusoknál kicsi. A szuperferrites acélok nagyobb szívósságúak és lyuk- és feszültségkorrózióval szemben fokozottabban ellenállóak [25].

4.7. ábra Schaeffler diagram, az erősen ötvözött acélok hegesztési problémái [25] Az

alapanyagok

elektronmikroszkóp

pontos segítségével

összetételét határoztuk

egy meg

Philips XL 30 egy

típusú

Edax Genesis

pásztázó rendszerű

energiadiszperzív röntgen-analizátorral (a továbbiakban EDS). Az EDS detektor működése a karakterisztikus röntgensugárzás elvén alapszik. Az elektronmikroszkóp katódjából kilépő elektronok kölcsönhatásba lépnek a minta atomjaival. A beeső elektronnyaláb képes kiütni egy elektront a minta atomjainak egyik pályájáról. Ezáltal egy atompálya megüresedik. A külső héjon lévő elektronok energiája nagyobb, mint a belső héjon lévőké. Egy, valamely külső héjon található elektron energiaminimumra törekedve betölti a megüresedett atompályát, a külső-belső elektronpályák közti energiakülönbség pedig egy röntgen-foton formájában felszabadul. Mivel a kisugárzott foton energiája az adott anyagra jellemző, a karakterisztikus röntgen-sugárzást energia vagy hullámhossz szerint felbontva, kvantitatív elemzést végezhetünk el az adott mintán [26]. 22

A mérést megelőzően az alapanyagok ugyan nem kerültek műgyanta beágyazásba, de felületüket P320, P600, P1200, végül P2500 finomságú papírokkal csiszoltuk folyóvíz öblítés mellett. A csiszolás befejezéseként a mintákat alkoholban kirázattuk, majd szárítottuk. A csiszolást a felületi oxidrétegek eltávolítása érdekében végeztük el. Az alapanyagok fáziselemzésére a TWIP és TRIP lemezekből mintákat véve, a hegesztett kötésekhez hasonlóan műgyantába ágyaztuk őket. A csiszolást és polírozást követően a már említett marószerekkel feltérképeztük a lemezanyagok szövetszerkezetét. A szövetelemek arányának pontos meghatározásához ez esetben is képelemző szoftvert vettünk igénybe. Az alapanyagok szemcseméretét a 4.8. ábra4.8. ábra alapján állapítottuk meg, azzal az eljárással, amit a hegesztett kötések HAZ tartományánál is alkalmaztunk szemcseméretmeghatározásra. a)

b)

4.8. ábra OM felvételek az alapanyagokról a) TWIP CrNi-es b) TRIP Marder és Benscoter-es maratás után

4.5 A kötések keménységeloszlásának vizsgálata A beágyazott mintákat a maratást követően mikrokeménység-mérésnek vetettük alá. Előkészítésként a mintát csiszoltuk (P1200, P2500), majd políroztuk (1 µm-es és 0,5 µm-es szemcsenagyságú Al2O3 szuszpenzió). A méréshez Buehler 1105 modellszámú mikro Vickers keménységmérő berendezést használtunk. Vickers-féle eljárást 100 g-nak megfelelő terhelőerővel végeztük, 11 másodpercig nyomódott bele a szúrótest a minta felületébe. Egy mintán 80-90 helyen mértünk keménységet. A mérési helyek egy vonal mentén helyezkedtek el a TRIP-TRIP kötés esetén 2, a vegyeskötés (TWIP-TWIP) esetén 3 irányban. Egy, mindkét lemezen (így a varratban is) áthaladó vonal az egyik lemez alapanyagától kezdődően, áthaladva a lemezek hőhatásövezetén, a másik lemez alapanyagáig tartott. Minden mérésnél legalább 2,5 d (d a lenyomat két átlójának átlagát jelenti) távolságot hagytunk az előző mérési 23

helytől, de általában 100, 200, 300 esetleg 400 µm nagyságú léptékekkel dolgoztunk. Nagyobb, tehát 300, 400 µm-es léptékeket abban az esetben alkalmaztunk, amikor feltételeztük, hogy a mérési vonal mentén a keménység konstans, vagy csak kis mértékben változik. Ilyen mérési hely volt a varrat és a hőhatásövezet széle. Az alapanyag keménységét a hőhatásövezettől távolabb, a lemez felületére merőleges irányban is, szintén egy vonal mentén mértük ki, ez volt a második, valamint a harmadik mérési irány, itt 100 µm-es léptékekkel haladtunk, az 1 és 1,5 mm vastagságú lemezeken legalább 8 mérést végeztünk el. A 4.9. ábra a TRIP-TRIP 38-16,3-2,74-c-0 jelű minta mikrokeménység-mérésének elrendezéséről készült sztereómikroszkópos felvételt mutatja be. Az eredményeket jegyzőkönyvben rögzítettük, amelyekből diagramot készítettünk. A diagramokat a következő fejezetben, a mérési eredmények kiértékelésénél közöljük. A mérési elrendezésről minden alkalommal OM és sztereo mikroszkópos felvételek készültek.

4.9. ábra Mikro Vickers lenyomatok sztereómikroszkópos képe egy TWIP-TRIP mintán

4.6 A szakítóvizsgálatokról A hegesztett kötésekből nem csak metallográfiai minta, hanem szakító próbatestek is készültek. A próbatestek előkészítése a síkra köszörülést, majd a két lemez egy síkba csiszolását foglalta magában. Annak érdekében csiszoltuk síkra a mintákat, hogy a felületén ne legyenek bemetszésszerű egyenetlenségek. Ezek ugyanis több tengelyű feszültségállapotot hoznak létre, a feszültség koncentrációs tényező (αk) radikálisan növekszik. A feszültségkoncentráció megnöveli az anyagban ébredő tényleges feszültség értékét, vagyis egy bemetszés nélküli próbatestet elszakító erőhöz képest már kisebb erő hatására akkora feszültség ébred, ami törést okoz. A csiszolás kézi úton történt. Az ausztenites, megszilárdult varratfém lágyabb, jobban csiszolódott a TRIP és TWIP lemeznél. A legkisebb keresztmetszet a varrat helyén fordult elő, így az egyenértékű átmérő és a szilárdsági jellemzők 24

meghatározásánál ezt a keresztmetszetet vettük figyelembe. Mivel a próbatestek 100 mm hosszúak, 10 mm szélesek voltak, a vastagságuk pedig nem érte el az 1 mm-t és a szabványos jeltáv ~30 mm–re adódott, a jeltávot 3 helyen mértük fel a próbatesten (jobbról, balról és középen) . A felvett jeltávokat a TWIP-TRIP kötés 37-16,3-2,63-c-0 mintából készült 3-as elszakított próbatesten a 4.10. ábra szemlélteti.

4.10. ábra TWIP-TRIP kötés 37-16,3-2,63-c-0 minta szakító próbatestje A próbatestek elszakításához egy 100 kN terhelhetőségű TIRA test 2000 mechanikus csavarorsós nyomó-szakítógépet vettünk igénybe A próbatestek pontos befogása után azokat 20 mm/min sebességgel szakítottuk el. Ez habár a szokottnál nagyobb, még mindig kvázistatikus vizsgálatnak minősül A szakítást azért kellett ekkora sebességgel végezni, mivel a próbatestek 1 mm-nél vékonyabbak voltak, a vizsgálat közben lassabb szakítósebesség esetén hajlamosak voltak kicsúszni a befogó berendezésből. A jobb befogás érdekében a próbatestek befogó részeit P80-as csiszolópapírral érdesítettük (a 4.10. ábra jól érzékelteti, hogy a befogórészek érdesek, míg a próbatest középső része csiszolt). Egy szoftver segítségével felvettük a szakítógörbét, a próbatestek elszakadása után meghatároztuk a szakítószilárdságukat (Rm), a fajlagos nyúlást (A10) és a kontrakciót (Z). Az elszakított próbatestekről sztereómikroszkópos fényképeket készítettünk a töretfelületeket pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) vizsgáltuk (4.11. ábra).

25

a)

b)

2 mm

4.11. ábra Az elszakított TRIP-TRIP 38-16,3-2,74-c-0 minta a) sztereómikroszkópos b) SEM felvétele visszaszórt elektron detektorral (BSE) A pásztázó elektronmikroszkópia során egy elektronnyalábbal pásztázzuk a minta felületét, melynek hatására elektronok lépnek ki a vizsgálandó minta felszín közeli rétegeiből. A kilépő elektronoknak két fő típusa van: szekunder (50 eV-nál kisebb energiájú) és visszaszórt (50 eV-nál nagyobb energiájú). A szekunder elektronok kis energiájuk okán csak a minta felső, maximum 50 nm-es rétegeiből képesek kijutni, ezáltal kifejezetten egyenetlenségérzékenyek, segítségükkel nagy felbontású képeket lehet készíteni. A visszaszórt elektronok száma főként a minta atomjainak rendszámától függenek, minél nagyobb a rendszám, annál nagyobb a visszaszórási hányad értéke. A nagyobb rendszámú atomokból álló részek világosabbnak látszanak a visszaszórt elektron detektor (BSE) segítségével készített felvételeken [26]. Kutatásunk során a mintákat mind szekunder elektron detektor (SE), mind BSE alkalmazásával vizsgáltuk és mindkét üzemmódban készítettünk SEM felvételeket.

5 Eredmények és kiértékelésük 5.1 A hegesztési kísérletek eredményessége A hegesztési kísérleteket elsődlegesen szemrevételezéssel és a korona- valamint gyök nagyságának mérésével minősítettük. A következő diagramokban összefoglaltuk a tapasztaltakat. Az 5.1. ábra szemlélteti a varrat külső megjelenését a fő paraméterek függvényében (áramerősség, feszültség, hegesztési sebesség). A piros szín jelzi, ha a varrat rossz minőségű, a hegesztési kísérlet sikertelen volt. Abban az esetben, ha a varrat átégett, egyenetlenül terült, a korona oldalon összehúzódott, a gyök oldalon nem keletkezett varrat, az adott minta piros színnel szerepel a diagramban. Sárga színű a minta, ha a hegesztési kísérlet 26

sikeres ugyan, vagyis szép, egyenletes a varrat, de apróbb hibákkal rendelkezik: deformálódott lemez, nem egytengelyű kötés stb. A zöld színű minták korona- és gyökméret alapján megfelelőek, azok megközelítik az 1-1,5 mm-es nagyságrendet, a varrat szépen, egyenletesen terült. A hegesztési paraméterek ismeretében ki tudtuk számolni a hőbevitel nagyságát, amelyet szintén jegyzőkönyvben rögzítettünk. A hőbevitel kiszámítására az 5.1. egyenlet használtuk fel. 5.1. egyenlet A hegesztett kötés hőbevitelének kiszámítására szolgáló összefüggés

ahol Q a hőbevitel nagysága (kJmm-1), I az áramerősség (A), U a feszültség (V), v a hegesztési sebesség (cms-1), k együttható (k=0,8). Eredményeink alapján a hőbevitel és a varrat minősége között nincs közvetlen összefüggés, ezért a 5.1. táblázat és 5.2. táblázat oszlopaiban közöljük a jó minősítésű varratokhoz tartozó hőbeviteleket, de eltekintünk attól, hogy a varratminőség-hőbevitel kapcsolatot diagram, vagy táblázat keretében szemléltessük.

27

5.1. ábra A TRIP-TRIP hegesztési kísérletek fő paraméterei és sikerességük (varratgeometria alapján)

5.2. ábra A TWIP-TRIP hegesztési kísérletek fő paraméterei és sikerességük (varratgeometria alapján)

28

A TWIP-TRIP kötések esetében nagymértékben csökkenteni tudtuk a sikertelen hegesztési kísérletek számát, a varratok minősége elfogadhatóbb volt. Ennek fő oka, a nem vegyes kötések hegesztésénél megszerzett számos kísérleti tapasztalat. A TRIP-TRIP kötések elkészítése miatt már megközelítőleg ismertük a vegyes kötés kialakításához szükséges áramerősséget, feszültség nagyságát és a hegesztési sebességet. A kísérletek alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy az általunk alkalmazott berendezésekkel a hegesztett kötés viszonylag kis áramerősség, alacsony feszültség és kis sebesség mellett lesz igazán jó minőségű. A jónak minősített minták (5.1. és 5.2. ábrákon zöld színnel jelöltek) korona- és gyökméretét az 5.1. és 5.2 táblázatban foglaltuk össze. A varratot több helyen is megmértük, a táblázatban szereplő értékek a maximális, ill. minimális méreteket jelentik. A Km és Gym betűkombinációk a korona, illetve a gyök magasságát jelölik. A vastagon szedett mintákból készültek metallográfiai vizsgálatra keresztcsiszolatok és szakító próbatestek. 5.1. táblázat a jó minősítésű TRIP-TRIP kötések korona- és gyökméretei és a hőbevitel Minta jele 39-16,4-2,48-c-0 38-16,3-2,48-c-0 38-16,3-2,64-c-0 38-16,3-2,74-c-0 34-16,8-2,64-c-1,5 34-16,6-2,64-c-1,5 32-16,5-2,64-c-1,5 32-16,6-2,64-c-1,5 30-16,4-2,74-c-1,5

Km

Gym

Hőbevitel

(mm)

(mm)

(kJmm-1)

1,8 0,9 2,2…2 1,1 1,8 0,6 1,8 0,8 1,4 1,5 1,1 1,2 2 0,6 1,9…1,8 0,6…0,5 1,4…1,2 1,2…0,6

0,712 0,708 0,676 0,651 0,623 0,616 0,579 0,576 0,517

A felhasznált TRIP lemez 1 mm vastagságú vékonylemez volt. A táblázati értékekből látható, hogy vékonylemezek hegesztésénél nem szükséges nagy áramerősség és feszültség. Bár a vegyes kötés esetén a TWIP lemez vastagabb volt a TRIP-nél, mégsem kellett növelnünk sem az áramerősséget, sem a feszültséget: a TWIP nagy mangán tartalma miatt az alapanyag olvadáspontja lefelé tolódik a TRIP acél olvadáspontjához képest. Ez az eltolódás meghatározható az egyensúlyi diagramokból. A vas-mangán egyensúlyi diagramon (5.3. ábra) jól látszik, hogy a 20 % körüli Mn tartalom jelentősen, mintegy 100 ⁰C-kal csökkenti az ötvözet olvadáspontját.

29

5.2. táblázat a jó minősítésű TWIP-TRIP kötések korona- és gyökméretei és a hőbevitel Minta jele 37-16,3-2,64-c-0 36-16,2-2,64-c-0 34-16,0-2,64-c-0 33-16,3-2,64-c-1,5 32-17,3-2,64-c-1,5 31-17,3-2,64-c-1,5 31-17,3-2,64-c-1,5 30-16,4-2,74-c-1,5

Km

Gym

Hőbevitel

(mm)

(mm)

(kJ/mm)

1,85…1,3 1,6…1,4 1,4 1,5…1,1 1,4…0,9 1,4…1,1 1,3…1,1 1,3…0,9

1,5…1,2 1,1…0,9 0,9…0,75 1,4…0,9 1,4…1,2 1,6…1,4 1,2…1 1,3…0,8

0,658 0,636 0,593 0,587 0,604 0,585 0,585 0,517

Hőmérséklet (⁰C)

Mangán tömeg %

Mangán tömeg % 5.3. ábra A Fe –Mn ötvözetek egyensúlyi fázisdiagramja [27] Az 5.3. ábra szemlélteti, hogy a 20-25 % Mn-t tartalmazó ötvözet (esetünkben a TWIP 1000) olvadáspontja az ötvözetlen fémétől mintegy 100 ⁰C-kal kisebb.

30

5.2 Felhasznált

anyagok

összetétele

és

a

metallográfiai

vizsgálatok kiértékelése Eben a fejezetben taglaljuk a TWIP 1000, TRIP 800 lemezek és az AWS 307 Si huzalelektróda összetételének megállapítását, kiszámítjuk a króm és nikkel egyenértéküket, továbbá hegeszthetőség szempontjából minősítjük őket.

5.2.1 Az alapanyagok összetétele és metallográfiai vizsgálata A hegeszthetőség megállapításához EDS-sel megmértük az alapanyagok összetételét (5.3. táblázat). Az általunk használt eszköz a széntartalom megállapítására korlátozottan alkalmas, ezért a nikkel és króm egyenérték meghatározásához a szakirodalmi adatokat vettük figyelembe. 5.3. táblázat A felhasznált anyagok kémiai összetétele EDS mérések alapján Összetétel (m %) Fe Si Mn Cr Ni Al TWIP 1000 79,73 0,46 17,63 0,13 2,18 TRIP 800 95,83 1,73 2,45 AWS 307 63,79 1,45 6,62 19,1 9,03 A Cr és Ni egyenértékek kiszámításához a következő összefüggéseket (5.2. egyenlet, 5.3. egyenlet) használtuk fel (az egyenletekben az egyes ötvöző elemek tömegszázalékos mennyiségét kell megadni). 5.2. egyenlet A nikkel egyenérték kiszámítására szolgáló összefüggés

5.3. egyenlet A króm egyenérték kiszámítására szolgáló összefüggés

Az egyenértékek megadásához szükséges ötvözők mennyiségét egy táblázatban gyűjtöttük össze, a táblázat utolsó három oszlopában a kiszámított nikkel- és krómegyenértékeket tüntettük fel (5.4. táblázat).

31

5.4. táblázat A felhasznált anyagok összetétele valamint Ni és Cr egyenértékei Összetétel (m %) Niekv és Crekv (m%) C C Si Mn Cr Ni Mo Nb Niekv Crekv 28,6 0,9 TWIP 1000 0,66 0,46 17,63 0,13 0,03 0,12 0 9,4 2,6 TRIP 800 0,273 1,73 2,45 0,0149 0,01 0,01 0,01 14,7 21,3 AWS 307 0,08 1,45 6,62 19,1 9,03 0 0 A számított Ni és Cr egyenértékek elhelyezhetők a Schaeffler-diagramban (5.4. ábra ):

5.4. ábra A számított Cr ekv és Ni ekv értékek ábrázolása a Schaeffler diagramban [25] A diagramban piros színű háromszöggel a TWIP 1000, zölddel a TRIP 800, sárgával az AWS huzalelektróda szerepel. Az eredmények alapján a kötésben martenzites TRIP, valamint ausztenites- martenzites TWIP lemez és AWS huzal várható. A metallográfiai vizsgálatok alapján

megállapított

szövetelemek

mennyiségét

(azaz

a

ténylegesen

jelen

lévő

szövetelemeket) a metallográfiai vizsgálatok kiértékelése című fejezetben közöljük.

5.2.2 Az alapanyagok átlagos szemcsenagysága és fázisanalízise Az alapanyagokat (BM, Base Material- alapanyag) nem csak összetevőik, de a bennük megtalálható szövetelemek alapján is jellemeztük. A TWIP 1000 lemez esetében ez a feladat nem bizonyult bonyolultnak, hiszen nagy ötvöző-tartalma miatt szerkezete tisztán ausztenites. Összetettebb volt a TRIP 800 lemez elemzése, ahol a jelen lévő ferritet, bénitet, maradék 32

ausztenitet és a kis mennyiségű martenzitet a különböző reagensek nem mutatják ki elég kontrasztosan, az egyes fázisokat nehéz megkülönböztetni. Így a TRIP alapanyag marásához több marószer is szükséges volt. Az átlagos szemcseméretet mindkét lemez alapanyagnál kiszámítottuk, a fázisanalízis a szerkezetből adódóan csak a TRIP lemez keresztcsiszolatán végeztük el. A maratás alapján, a szemcsék kiszámított geometriai jellemzőit az 5.5. táblázat közli. Az alapanyagok szemcseméretét a 4. fejezetben bemutatott ábrák (4.8. ábra a) és b) ) felhasználásával határoztuk meg. 5.5. táblázat A TWIP és TRIP lemezanyagok szemcséinekk átlagos területe (a) és megállapított szemcsenagysága (d) Alapanyag Szemcse átlagos Szemcseméret, BM TWIP 1000 TRIP 800

terület, a (µm2) 24,1 6,9

d, (µm) 4,9 2,6

ASTM E112-12 14,0 12,5

Mérési eredményeink alapján a 2,6 µm-es átlagos szemcsenagyságú TRIP 800 lemez alapanyag

60,2 % ferritet,

25,2 % bénitet,

12,2 % maradék

ausztenitet

és

2,4 % martenzitet tartalmaz. A bénit mennyiségét a Le Pera maratás OM képeiből határoztuk meg. A Le Pera a bénitet feketére marja (5.5. ábra, a) ), így ez a szövetelem szerepel a legkontrasztosabban a képeken. A maradék 74,8 % következőnek a maradék ausztenit mennyiségét a Marder és Benscoter maratás képei (5.5. ábra, b) ) segítségével adtuk meg, ahol a maradék ausztenit fehérnek látszik. Ezt követően a Nital-os maratás felvételein (5.5. ábra, c) ) a feketére mart martenzitet kvantitatív minősítettük. A ferrit mennyiségét az előbb említett szövetelemek mennyiségének ismeretében, kiadódóan határoztuk meg. b)

a)

c)

20 µm 5.5. ábra A TRIP 800 lemez maratott szürkeárnyalatos OM képe a) Le Pera, b) Marder és Benscoter, c) valamint Nital 2% maratás után

33

5.3 A kötések metallográfiai vizsgálatainak kiértékelése A hegesztett kötésekből készített keresztcsiszolatok esetében is megvizsgáltuk a jelen lévő fázisok arányát és a szemcsék geometriai jellemzőit. Szövetszerkezeti változásokat csak a TRIP 800 lemez és az varratban tapasztaltunk, a TWIP 1000 lemez pusztán szemcsedurvulást szenvedett. A megszilárdult varratfém dendrites szerkezetűnek mutatkozott, a TRIP 800 lemez hőhatásövezetében tűs, martenzites szerkezet jött létre, a szemcsedurvulás itt is jelen volt (5.6. ábra, a) ). A TRIP-TRIP és vegyes kötések esetén a lemez hőhatásövezetében közvetlenül a beolvadás helyén (HAZ1) és a beolvadás helyétől 1-1,5 mmre (HAZ2) vizsgáltuk meg geometriai szempontból a szemcséket. Eredményeink alapján (5.6. táblázat) a TRIP lemez nagyobb mértékű szemcsedurvulást szenvedett a TWIP-hez képest. A TRIP átlagos szemcsenagysága eléri a 70-80 µm-t, míg a TWIP átlagos szemcséi 60 és 70 µm között változnak. Érdekes jelenségként tapasztaltuk, hogy a TRIP szemcsék közvetlenül a beolvadás helyén közel azonos méretűek, ezzel ellentétben a TWIP lemez-varrat határon a TWIP szemcsék igen kicsik, 20-30 µm-esek, mellettük viszont sokkal érzékletesebben látszik a szemcsedurvulás. Az alábbi (5.6. táblázat) táblázatban összefoglaltuk a hőhatásövezetben fellelhető különböző átlagos szemcsenagyságokat. A táblázati értékekből látható, a TRIP lemez

szemcsedurvulása,

a

hegesztés

utáni

szemcsemérete

gyakorlatilag

mindkét

kötéstípusnál egyenlő méretű, az a lemezek különböző párosításaitól független. Látható, hogy a TRIP acél sokkal érzékenyebben reagál a hőbevitelre, mint a TWIP acél. 5.6. táblázat A varratok MSZ EN ISO 643:2012 szerinti szemcsenagyságai a 38-16,3-2,74-c0 jelű TRIP-TRIP és a 30-16,4-2,74-c-1,5 jelű TWIP-TRIP mintákon mérve Kötés típus Elhelyezkedés TRIP-TRIP TWIP-TRIP

TRIP HAZ1 TRIP HAZ2 TRIP HAZ1 TRIP HAZ2 TWIP HAZ1 TWIP HAZ2

Szemcseméret

ASTM

d, (µm)

E112-12

75,6 56 75,6 50,1 47,4 20,9

4,5 5,5 4,5 5,5 6,0 8,0

A maratást követően készített fénymikroszkópi felvételekből nem pusztán az azonos szemcseméret vehető ki, jól látszik a szövetszerkezetek hasonlósága is. Mindkét esetben, tűs martenzites szerkezetet látunk a TRIP lemezen, dendriteket a varratban. A kötések esetében a martenzit mennyiségét mutattuk ki elsőként a CrNi-es marószer segítségével(5.6. ábra, a) ), amely feketére marja a martenzitet. Bár a hőhatásövezet beedződött, szerkezetében a 34

martenzit még sem éri el az 50 %-os szintet. Elemzéseink alapján a lemez a beolvadás helyétől körülbelül egy 200 µm-es rétegben rendelkezik 80 %-ban martenzites szerkezettel. Maradék ausztenitet a TRIP-TRIP kötésnél korona oldalon, az lemez felületétől 50-60 µm-es mélységben találtunk 22,5 % mennyiségben, Rigsbee és Vander Arend (5.6. ábra, b) ) marószerrel tudtuk kimutatni. Számottevő maradék ausztenitet nem találtunk a HAZ1 tartományban. A TRIP lemez hőhatásövezetében nehézséget okozott a bénit egyértelmű meghatározása, ezért 2% Nital marószer segítségével a ferrit mennyiségét határoztuk meg, a Nital a ferritet piszkos fehérre marja (5.6. ábra, c) ), valamivel sötétebb az ausztenitnél. Így a bénit mennyiségét kiadódó értékként adtuk meg. A HAZ2 tartomány szövetszerkezetét a HAZ1-nél alkalmazott eljárással analizáltuk, sajnos a maradék ausztenitet itt sem sikerült kimutatnunk. A HAZ2-ben a martenzit mennyisége mintegy 10 %-kal csökkent, a bénit mennyisége is kevesebb lett, míg a ferritből szinte 3-szor akkora mennyiség volt jelen, mint a HAZ1 tartományban. A szövetelem-arányokat az 5.7. táblázat A szövetelemek aránya a TRIP-TRIP kötésben 38-16,3-2,74-c-0 jelölésű mintaában 5.7. táblázatban gyűjtöttük össze. 5.7. táblázat A szövetelemek aránya a TRIP-TRIP kötésben 38-16,3-2,74-c-0 jelölésű minta A szövetelemek aránya (%) Tartomány Ferrit Bénit Martenzit Maradék ausztenit HAZ1 8,9 48,1 43 0 HAZ2 26,8 39,4 33,8 0 a)

b)

200 µm

50 µm

c)

200

5.6. ábra a TRIP-TRIP kötés 38-16,3-2,74-c-0 jelölésű mintájáról a képelemző szoftverhez felhasznált szürkeárnyalatos OM felvételek a) CrNi-es, b) Rigsbee és Vander Arend,, valamint c) 2% Nital maratás után A vegyes, TWIP-TRIP kötés esetében az HAZ1 tartományban sikerült kisméretű, maradék ausztenit „szigeteket” felfedezni a Marder és Benscoter reagens segítségével. A maradék ausztenit kimutatása véletlenszerűen sikerült, úgy, hogy az adott minta túlmaródott és így a maradék ausztenit világos színe jobban elütött a ferrit sötétebb szürkés színétől.

35

A fázisok százalékos arányának meghatározása a TRIP-TRIP mintáknál alkalmazott eljáráshoz hasonlóan történt, tehát a martenzitet a CrNi-es (5.7. ábra, a) ) maratás képeiből, a ferritet a Nital-os maratáséból (5.7. ábra, b) ) határoztuk meg. Az eltérés abban mutatkozott, hogy ez esetben a Rigsbee és Vander Arend ugyanannyi idő alatt, mint amennyi ideig a TRIPTRIP kötést martuk, nem hozta elő kellő mértékben a szövetszerkezetet, csak néhol látszódtak martenzites tűk. Túlmaratás esetén a ferrit és az ausztenit között nem volt elég nagy kontrasztbeli különbség. Ennek okán kísérleteztünk a Marder és Benscoter reagens alkalmazásával. A 20 másodperces maratás helyett 60 másodpercig hagytuk a mintát a marószerben, így született az 5.7. ábra, c), amin jól kivehető volt a maradék ausztenit. a)

b)

200 µm

200 µm

c)

50 µm

5.7. ábra A TWIP-TRIP kötés 30-16,4-2,74-c-1,5 jelű minta szürkeárnyalatos, a fázisanalízishez felhasznált OM felvételei a) CrNi-es, b) Nital-os, valamint c) Marder és Benscoter-es maratás után Hasonlóan a TRIP-TRIP minták fázisanalíziséhez, a TWIP-TRIP kötés esetében is táblázatba foglaltuk a kötésben megtalálható szövetelemek százalékos eloszlását (5.8. táblázat) 5.8. táblázat A szövetelemek aránya a TWIP-TRIP kötésben a 30-16,4-2,74-c-1,5 jelű minta hőhatásövezetének egyes részein A szövetelemek aránya (%) Tartomány Ferrit Bénit Martenzit Maradék ausztenit HAZ1 16,5 35,6 45,8 2,1 HAZ2 29,8 28,9 33,9 7,4 A két táblázatot összehasonlítva látható, a TWIP-TRIP kötés esetén a beolvadás helyéhez közel (HAZ1) nagyobb mennyiségű ferrit van jelen, mint a TRIP-TRIP kötésnél, viszont a HAZ2 részen már megközelítőleg ugyanakkora a ferrit-arány. Gyakorlatilag mindkét kötés egyforma mértékben lett martenzites, jelentékenyebb eltérés a bénit és a maradék ausztenit arányánál mutatkozott.

36

E fejezet végén közlünk két összefoglaló táblázatot a jobb áttekinthetőség érdekében. A táblázatokban a szövetszerkezeteket és a szemcseméreteket tüntetjük fel. 5.9. táblázat Összefoglaló táblázat a kötésekben és alapanyagokban mért szemcseméretekről Kötés típus Elhelyezkedés

TRIP-TRIP TWIP-TRIP

Szemcseméret

ASTM

d, (µm)

E112-12

2,6 4,9 75,6 56 75,6 50,1 47,4 20,9

14,0 12,5 4,5 5,5 4,5 5,5 6,0 8,0

TRIP BM TWIP BM TRIP HAZ1 TRIP HAZ2 TRIP HAZ1 TRIP HAZ2 TWIP HAZ1 TWIP HAZ2

5.10. táblázat Összefoglaló táblázat a kötésekben a TRIP 800 acéllemezben mért szövetelemek mennyiségéről A szövetelemek aránya (%) Kötés típus Tartomány Ferrit Bénit Martenzit Maradék ausztenit BM 60,2 25,2 2,4 12,2 TRIP-TRIP HAZ1 8,9 48,1 43 0 HAZ2 26,8 39,4 33,8 0 TWIP-TRIP HAZ1 16,5 35,6 45,8 2,1 HAZ2 29,8 28,9 33,9 7,4

5.4 A kötések keménységeloszlása A metallográfiai vizsgálatok (maratás) elvégzése után megállapítottuk, hogy a hőhatásövezet

martenzites-bénites

szerkezetű.

A

martenzites-bénites

átalakulásnál,

folyamatos hűtés esetén, kb. 100-200 s lehűlési idő mellet az acél keménysége 0,3 %-os C tartalom esetén (a TRIP-é 0,28 %) 37-50 HRC, amely az ASTM E140/97 szabvány szerint 527 és 363 HV-nak felel meg [28]. A huzalelektróda ausztenites acél, amely rácsszerkezetéből fakadóan lágy, kis keménységű. Ezt mindkét kötés esetében igazolni tudtuk, mivel a megszilárdult varratfémnél mindkét esetben 200 és 250 HV0,1 közötti keménységi értékeket mértünk. A TRIP-TRIP (5.8. ábra) és a TWIP-TRIP (5.9. ábra5.9. ábra) kötéseknél a varrat-lemez HAZ átmenetben radikálisan növekedett a keménység, majd a hőhatásövezetben 500 HV0,1 közeli értékeket vett fel. Mindkét esetben egy megközelítőleg 4 mm-es szakasz után kezdett el csökkeni a keménység. 37

Az átmenet a beedződött tartomány és az alapanyag között kevésbé bizonyult élesnek, mint a varrat-HAZ átmenet. 600

Varrat

TRIP 800 BM

TRIP 800 HAZ

Vickers keménység HV0.1

550 500 450 400 350 300 250 200 150 -2

0

2

4

6

8

10

A lenyomat helye a mintán (mm)

5.8. ábra A TRIP-TRIP kötés keménységeloszlása

Vickers keménység HV0.1

a 38-16,3-2,74-c-0 minta alapján 600 550 500 TWIP 1000 450 HAZ 400 Varrat 350 300 250 200 TWIP 1000 BM 150 100 50 0 -6 -4 -2 0 2

TRIP 800 HAZ

TRIP 800 BM

4

6

8

10

A lenyomat helye (mm)

5.9. ábra A TWIP-TRIP kötés keménységeloszlása a 37-16,3-2,64-c-0 minta alapján A két kötés közötti eltérés a TRIP hőhatásövezetének keménységében jelentkezett. Míg a TRIP-TRIP kötésnél a maximális keménység 530 HV0,1 volt, addig a vegyes kötésnél a TRIP HAZ-ban mért legnagyobb keménység a 480 HV0,1 értéket vette fel. A TWIP szén-tartalma nagyobb a TRIP karbon-tartalmánál, így az rosszabb hővezető. Továbbá a TWIP 0,5 mm-rel vastagabb is volt. A mikrokeménység-beli eltérés tehát abból származhat, hogy a TWIP lemez lelassította a hűlési folyamatot, a vegyes kötés kevésbé edződött be. 38

A

vegyes

kötés

TWIP

lemeze

megőrizte

ausztenites

szerkezetét,

mindössze

a

metallográfiában kimutatott szemcsedurvulás következett be. Keménysége gyakorlatilag megegyezett a varrat keménységével, 200 és 230 HV0,1 között változott.

5.5 A szakítóvizsgálatok eredményei A szakítóvizsgálatoknál feltételeztük, hogy a próbatestek a varrat helyén fognak elszakadni mivel a huzalelektróda szakítószilárdsága a szabvány szerint 650 MPa. Feltételezésünk beigazolódott, a befűződést követően a próbatestek a varrat helyén szívós törést szenvedtek. A szívós törés jellegét nem pusztán szemrevételezéssel állapítottuk meg, SEM képekkel is igazoltuk (5.10. ábra, b) és c) ). További jele volt a szívós törésnek, hogy minden szakítóvizsgálat esetén a próbatest elszakadását jelentős mértékű maradó alakváltozás előzte meg, melyet a szakítógörbén a vizsgálat közben nyomon tudtunk követni. Az 5.10. ábra, a) és az 5.11. ábra, a) egy-egy minta szakítódiagramját mutatja be. A metallográfiai elemzések alapján a TRIP lemez beedződött, hőhatásövezete martenzitesbénites szerkezetű volt. A szakítóvizsgálatoknál mégsem viselkedett ridegen az anyag, szakítógörbéjének jellege hasonlít egy nemesített acéléhoz. Jelentős maradó alakváltozást szenvedett: a varrattal egyidejűleg a lemezanyag is megfolyt, kontrakció lépett fel, mivel a varrat anyaga alakváltozott.

39

4,0

b)

a)

3,5 3,0

Erõ F (kN)

2,5 2,0 1,5

2 mm

1,0

c)

0,5 0,0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Nyúlás, ∆L (mm)

5.10. ábra A TRIP-TRIP kötés a) szakítódiagramja b) az elszakított próbatest sztereómikroszkópos felvétele, c) a töretfelület SEM képe a 38-16,3-2,74-c-0 minta alapján 6,0

a)

5,5

b)

TRIP

5,0 4,5

Erő F (kN)

4,0 3,5 3,0 2,5

TWIP

2,0

2 mm

1,5 1,0

c)

0,5 0,0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

Nyúlás, ∆L (mm)

5.11. ábra A TWIP-TRIP kötés a) szakítódiagramja b) az elszakított próbatest sztereómikroszkópos felvétele, c) a töretfelület SEM képe a 38-16,3-2,63-c-0 minta alapján

40

A két ábrát (5.10. ábra és 5.11. ábra) összehasonlítva elmondható, hogy a két kötés jellegre hasonlóan szakadt a varratfémben. A töretfelület is számos hasonlóságot mutat, viszont az elszakadt próbatestek makroszkópikus képét megfigyelve észrevehető egy jelentős eltérés. A (névlegesen) húzó igénybevétel hatására a kötés a TWIP oldalon nagyobb mértékben alakváltozott a TRIP oldalhoz képest. A TWIP esetén a folyási tartomány deformáció szempontjából egyenletesebb eloszlású a TRIP oldaléhoz képest. Ez a jelenség a szövetszerkezetből következik (TRIP- martenzites, rideg, TWIP- szobahőmérsékleten is ausztenites, lágy, jól alakítható). A szakítóvizsgálatok eredményeit táblázatban összesítettük. Az átlagos szakítószilárdság nagyobbnak adódott, mint a huzalelektróda szakítószilárdsága, ez a varrat dendrites jellegéből adódhat, illetve abból, hogy a leolvadt lemezekből nagy mennyiségű ötvöző kerülhetett a varratba, ami növelte a szilárdságát. Az 5.11. táblázatban a TRIP-TRIP kötés 38-16,3-2,74-c0 mintájából készült elszakított próbatestek jellemzését olvashatjuk. 5.11. táblázat A TRIP-TRIP kötés szakítóvizsgálatának eredményei a 38-16,3-2,74-c-0 jelű minta alapján Próbatest Szakadási nyúlás Kontrakció Szakítószilárdság 1 2 3 4 5 Átlag

A10 (%) 5,76 3,32 6,08 5,77 11,9 5,2±1,3

Z (%) 21,3 23,49 19,066 19,89 12,3 20,9±1,9

Rm (MPa) 728,3 646,3 755.4 734,2 617,62 703±49

Az 5.11. táblázat értékei eltéréseket mutatnak, a mért adatokhoz meg kell jegyezni, az 5-ös próbatest felületét nem sikerült repedésmentesre csiszolni, így a mért szakítószilárdsága egy bemetszett próbatestének felel meg, ezért nem vettük figyelembe az átlagos szakítószilárdság kiszámításánál. Törete nagymértékben különbözik a többi próbatestétől. A repedés helyén rideg, míg a keresztmetszet többi részében szívós törést szenvedett. Ezáltal fajlagos nyúlása és a befűződés mértéke is eltér azon próbatestekétől, ahol a felületeken nem volt repedés. A próbatest igen vékony keresztmetszete miatt a szakítóvizsgálat során csúszott a gép befogó berendezésében, ezért a mérnöki nyúlást (ε) és az egyezményes folyáshatárt (Rp0,2) nem határoztuk meg.

41

Az 5-ös próbatestről készült felvételeket az 5.12. ábra mutatja be. a)

2 mm b)

c)

5.12. ábra A 38-16,3-2,74-c-0 jelű minta, 5-ös próbatest töretfelületéről a) sztereomikroszkóppal, b) a rideg töretről SEM-mel és c) a szívós töretről szintén SEM-mel készült felvétel A 5.12 táblázatban TWIP-TRIP kötés 37-16,3-2,63-c-0 mintájából készült próbatestek szakítópróbából meghatározott jellemzőit foglaltuk össze. Jelentős eltérés a TRIP-TRIP kötéshez képest a vegyes kötés szakítószilárdsága, amely a TWIP 1000 lemezalapanyagnak köszönhető. Átlagosan mintegy 150 MPa-lal növekedett a kötés szakítószilárdsága. Fajlagos nyúlása szintén növekedett, ezzel szemben visszaesett a kontrakció mértéke.

42

5.12. táblázat A TWIP-TRIP kötés szakítóvizsgálatának eredményei a 37-16,3-2,63-c-0 jelű minta alapján Próbatest Szakadási nyúlás Kontrakció Szakítószilárdság 1 2 3 4 5 Átlag

A10 (%)

Z (%)

Rm (MPa)

11,9 7,67 4,8 34,3 32,6 18,3±14

14,14 16,46 36,8 9,9 9,9 17,4±11

870 799 550 530 630 676±152

6 Összefoglalás Kutatásunk során TRIP-TRIP és TWIP-TRIP kötéseket alakítottunk ki TRIP 800 és TWIP 1000 vékonylemezekből AWS ER 307 Si huzalelektróda segítségével, argon védőgázas fogyóelektródás eljárással. A meghegesztett kötésekből mintákat vettünk, keresztcsiszolatokat készítettünk. A csiszolatokat polírozás után különböző reagensek alkalmazásával maratásnak vetettük alá, amelyet fénymikroszkópos vizsgálat követett. Az OM képek segítségével elvégeztük a minták kvantitatív fáziselemzését, továbbá megállapítottuk a lemezek hőhatásövezetére jellemző szemcseméreteket is. Nem pusztán a kötéseket, az alapanyagokat is alávettettük metallográfiai vizsgálatoknak, amelyeket szintén kiértékeltünk. Megvizsgáltuk a lemezek és a huzalelektróda összetételét energiadiszperzív röntgen analizátorral. A keresztcsiszolatok keménységeloszlását mikro Vickers eljárással mértük meg, majd ábrázoltunk diagramban. A kötésekből készült próbatesteket elszakítva különböző mechanikai jellemzőket határoztunk meg (fajlagos nyúlás, kontrakció, szakítószilárdság) és szakítógörbét rajzoltunk. A próbatestek töretfelületeit elektronmikroszkóppal vizsgálva kimutattuk, hogy a minták szívós törést szenvedtek. Érdekes tapasztalatokat szereztünk mind a hegesztés, mind a vizsgálatok során. Eredményeink alapján vékonylemezek hegesztése kis áramerősség (3040 A), feszültség (16-17 V) és sebesség (4-5 cm/min) mellett sikeres. A deformáció elkerülésére javasolt a lemezek végénél, a hegesztendő szakasz hossza 1-1,5%-ának megfelelő hézagot hagyni, valamint megfelelő erősségű leszorító berendezést alkalmazni. Ügyelni kell a lemezek tisztaságára, hegesztés előtt elengedhetetlen az esetleges sorják eltávolítása. A metallográfiai vizsgálatoknál szerzett tapasztalatok szerint a TRIP lemez érzékeny az előírt maratási időkre, míg a TWIP szerkezetét a túlmaratás teszi jól láthatóvá. A varrat dendrites szerkezetét és a hőhatásövezetben található martenzitet a CrNi marószerrel érdemes kimutatni. A maradék ausztenitet a Marder és Benscoter vagy a Rigsbee és Vander 43

Arend, a ferritet a Le Pera vagy a Nital 2% képes látványosan előhozni. Az esztétikus, jó minőségű felvételek készítése érdekében a mintákat gyakorlatilag karcolásmentesre kell polírozni (ez a mikrokeménység-mérésre is érvényes), a maratás többször is elvégezhető. A szakító próbatestek előkészítése nagyon időigényes volt, mivel a mintákat kézi csiszolással kellett bemetszés-mentessé tenni – ez egy próbatest esetén 1-1,5 órát vett igénybe. Ezen művelet másik nagy hátránya volt, hogy a próbatestek elvékonyodtak, vastagságuk nem érte el az 1 mm-t. A későbbiekben szeretnénk több szakítóvizsgálatot elvégezni olyan kialakítású próbatesteknél, amelyeket gépi úton készítettünk elő, ezáltal növelhetnénk a mérés pontosságát. A szakirodalomban a TWIP-TRIP és TRIP-TRIP lemezek lézeres, illetve ellenállás ponthegesztésére találtunk kutatási eredményeket. Bár ezen eljárások alkalmazása ipari viszonylatokban gyakoribb, az általunk MIG eljárással készített kötések szilárdsági tulajdonságai jobbnak bizonyultak, keménysége gyakorlatilag megegyezett a szakirodalmi eredményekkel. A TRIP hőhatásövezete ugyan beedződött, de a mikroszerkezet nem tisztán martenzites volt, mellette nagyobb, mintegy 40 % mennyiségű bénit jelenlétét is igazoltuk. Tehát az argon védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztett TWIP-TRIP és TRIP-TRIP kötés minőség szempontjából egyáltalán nem maradt el a lézeres és az ellenállás-ponthegesztéssel készített kötésekkel szemben. Kutatásunk további célja lenne az alkalmazott eljárás gazdaságosságának vizsgálata. Szeretnénk optimalizálni a hegesztési folyamatot, megtudni, lehetséges-e gyorsabban és jobb tulajdonságokkal kialakítani a kötéseket. Kísérleteinket elvégeznénk egyéb, kiemelten nagyszilárdságú acéllemezekkel is. Végül, de nem utolsó sorban a kötést fárasztó vizsgálatoknak vetnénk alá.

7 Köszönetnyilvánítás Ezúton

szeretnék

köszönetet

mondani

konzulensemnek,

Dr.

Májlinger Kornélnak

segítőkészségéért és a kutatás során tanúsított türelméért, valamint a hegesztőlabor eszközeinek szabad használatáért. Köszönöm Dr. Fábián Enikő Réka metallográfiai laborban nyújtott segítségét. Hálás vagyok Dr. Dobránszky János úrnak, amiért a TRIP acélok hegesztéséről szóló doktori értekezést a rendelkezésemre bocsájtotta. Köszönettel tartozom Dr. Orbulov Imrének az eredmények kiértékeléséhez szükséges szoftverek használatának ismertetéséért. Végül, de nem utolsó sorban szeretném megköszönni Pál Vilmosnak a menetes leszorító berendezés elkészítését, a hegesztőlaborban nyújtott segítségét és Cziffra Lajosnak a szakító próbatestek legyártását. 44

8 Mellékletek A maratás után készült felvételek különböző nagyításokban TRIP-TRIP kötés, 38-16,3-2,74-c-0 minta

1.ábra: Lemez beolvadásának helye és a varrat CrNi-es maratás után

2.ábra: Beolvadás helye 2% Nitallal , valamint Rigsbee and Vander Arend-el maratva

3.ábra: Beolvadás helye Le Pera-s maratás után, makroszkópikus kép CrNi-es maratást követően 45

TWIP-TRIP kötés, 37-16,3-2,64-c-0-es minta

4. ábra: TRIP Hőhatásövezet különböző nagyításban a beolvadás helyén, CrNi-es maratással

5. ábra: TRIP beolvadás helye korona és gyök oldalon, Rigsbee & Vander Ander marószerrel

6. ábra 2% Nitallal maratott TRIP hőhatásövezet, beolvadási helyen (jobb) és távolabb

46

7. ábra CrNi-lel maratott TWIP hőhatásövezet és varrat gyök oldal TWIP-TRIP kötés, 30-16,3-2,74-c-0-ás minta

8. ábra Marder és Benscoter reagenssel maratott TWIP hőhatásövezet

9. ábra Marder és Benscoter reagenssel maratott TWIP hőhatásövezet

47

9 Felhasznált irodalom 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28.

Amirthalingam, M., Microstructural Development during Welding of TRIP Steels. 2010. Extrication, B. 2012 Volvo S60 Body Structure. 2011 2011.08.16. [cited 2015 07.31.]; Available from: http://www.boronextrication.com/2011/08/16/2012-volvo-s60-body-structure/. Extrication, B. 2011 VW Jetta Body Structure. 2011 2011.05.20. [cited 2015 07.31.]; Available from: http://www.boronextrication.com/2011/05/20/2011-vw-jetta-body-structure/. Li, D., et al., Influences of Nb-microalloying on microstructure and mechanical properties of Fe– 25Mn–3Si–3Al TWIP steel. Materials & Design, 2015. 84: p. 238-244. Zsoldos, I., Különleges autóipari acél ötvözetek, karosszéria elemek lemezanyagai. 2013. Oliver, S., T.B. Jones, and G. Fourlaris, Dual phase versus TRIP strip steels: Microstructural changes as a consequence of quasi-static and dynamic tensile testing. Materials Characterization, 2007. 58(4): p. 390-400. S.J.Kim, C.G.L., I.Choi and S.Lee, Effects of heat treatment and alloying elements on the microstructures and mechanical properties of 0.15 wt. % C transformation induced plasticity aided cold rolled steel sheets. Metallurgical and Material Transactions A, 2001: p. 505–514. P. Russo Spena, F.D., P. Matteis, and G. Scavino, Dissimilar Arc Welding of Advanced High-Strength Car-Body Steel Sheets. Journal of Materials Engineering and Performance, 2014. 23. M. Rossini, P.R.S., L. Cortese , P. Matteis , D. Firrao Investigation on dissimilar laser welding of advanced high strength steel sheets for the automotive industry. Materials Science & Engineering, 2015. Santos, D.B., et al., Effect of annealing on the microstructure and mechanical properties of cold rolled Fe–24Mn–3Al–2Si–1Ni–0.06C TWIP steel. Materials Science and Engineering: A, 2011. 528(10–11): p. 3545-3555. Logistikzentrum, E.A.V.-u., Schweißzusatzwerkstoffe. 2014. Péter, S., Gépelemek. 2007: Mezőgazda Kiadó. 749. Adolf Frischherz, P.S., Fémtechnológia alapismeretek 1. . 2010: B+V Lap-és Könyvkiadó. Bagyinszki Gyula, K.M., Gépipari alapanyagok és félkész gyártmányok, gyártásismeret. 2010: Tankönyvmester Kiadó. 178. Artinger István, K.L., Romvári Pál, Fémek technológiája. 1971: Műszaki Könyvkiadó. 399. Zrt, L.G.M., A Linde hegesztési védőgázai 2015. p. 14-15. Wang, X.-N., et al., Microstructure formation and precipitation in laser welding of microalloyed C–Mn steel. Journal of Materials Processing Technology, 2015. 226: p. 106-114. Saha, D.C., I. Chang, and Y.-D. Park, Heat-affected zone liquation crack on resistance spot welded TWIP steels. Materials Characterization, 2014. 93: p. 40-51. Razmpoosh, M.H., M. Shamanian, and M. Esmailzadeh, The microstructural evolution and mechanical properties of resistance spot welded Fe–31Mn–3Al–3Si TWIP steel. Materials & Design, 2015. 67: p. 571-576. Nayak, S.S., et al., Microstructure–hardness relationship in the fusion zone of TRIP steel welds. Materials Science and Engineering: A, 2012. 551: p. 73-81. Mujica, L., et al., Microstructure and mechanical properties of laser-welded joints of TWIP and TRIP steels. Materials Science and Engineering: A, 2010. 527(7–8): p. 2071-2078. Voort, G.F.V., Metallography: Principles and Practice. 1984: ASM International. Zoltán, D., Ötvözetek mikroszkópos vizsgálata. 2005: Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Anyagtudomány és Technológia Tanszék. p. 5. Dr. Artinger István, C.G., Dr. Králics György, Dr. Németh Árpád, Dr. Palotás Béla, Fémek és kerámiák technológiája. 2006: Műegyetemi Kiadó. Mihály, d.K., Anyagok hegeszthetősége. 2013. Norbert, d.O.I., Segédlet az anyagszerkezettan és anyagvizsgálat hallgatói számára. 2012. Alloy Phase Diagrams, in ASM Handbook. 1992. Adolf Rose, W.P., Werner Strassburg, Leo Rademacher, Atlag zur Wärmebehandlung der Stähle. 1961, Max-Plank-Institut für Eisenforschung.

48