Własności technologiczne stali wielofazowych dla motoryzacji. wysokowytrzymałych blach OBRÓBKA

Transkrypt

1 Własności technologiczne wysokowytrzymałych stali wielofazowych dla motoryzacji DR HAB. INŻ. Adam Grajcar, PROF. POL. ŚL., INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH, POLITECHNIKA ŚLĄSKA, CZŁONEK RADY NAUKOWEJ CZASOPISMA STAL METALE & NOWE TECHNOLOGIE Nowoczesne blachy z wysokowytrzymałych stali o strukturze wielofazowej stosowane na wytłoczki i inne elementy samochodu kształtowane plastycznie na zimno muszą spełniać wysokie własności mechaniczne i technologiczne. Najważniejsze technologiczne aspekty obejmują: podatność blach na kształtowanie technologiczne, spawalność/zgrzewalność, podatność blach na cynkowanie i lakierowanie, zdolność elementów nośnych do absorpcji energii, podatność na umocnienie podczas utwardzania lakieru. Zapewnienie wszystkich pożądanych cech często jest trudne do pogodzenia, gdyż wymaga przeciwstawnych koncepcji projektowania składu chemicznego, kształtowania mikrostruktury itp. Konstrukcja nadwozia nowoczesnego samochodu składa się w znacznej mierze z wysokowytrzymałych blach stalowych o strukturze wielofazowej, łączących wysokie własności wytrzymałościowe i plastyczne [1-3]. Własności mechaniczne w ramach danej grupy stali AHSS (Advanced High Strength Steel), a nawet konkretnego gatunku, są zróżnicowane, co wynika bezpośrednio ze ścieżki technologicznej wytwarzania blachy [4-6]. Nieco odmienne własności mechaniczne będą więc wykazywać blachy zimnowalcowane i gorącowalcowane, blachy cynkowane ogniowo i elektrolitycznie, a także niepokrywane, blachy obrabiane cieplnie przy zróżnicowanych parametrach temperatury, czasu i szybkości chłodzenia itp. W zdecydowanej większości przypadków obecnie stosowane są taśmy zimnowalcowane cynkowane ogniowo. Z tego względu jedną z najważniejszych własności technologicznych na etapie wytwarzania blachy jest zapewnienie jej odpowiedniej podatności na cynkowanie. Od wyprodukowania taśmy stalowej do gotowego samochodu blacha musi natomiast charakteryzować się podatnością technologiczną na wiele operacji wykonywanych kolejno na tłoczni, spawalni, lakierni itp. Podstawową własnością technologiczną taśmy stalowej przeznaczonej dla motoryzacji jest jej odkształcalność na zimno. W artykule przeanalizowano odkształcalność technologiczną nowoczesnych, wysokowytrzymałych blach o strukturze wielofazowej, z uwzględnieniem dominującego sposobu odkształcenia. Technological properties of high-strength multiphase steels for automotive industry Słowa kluczowe: własności technologiczne, stal wysokowytrzymała, odkształcalność blachy, stal wielofazowa, tłoczenie, rozciąganie Keywords: technological properties, high-strength steel, sheet formability, multiphase steel, pressing, stretching Advanced high-strength multiphase steel sheets used for stampings and other cold-formed elements of cars must be characterized by high mechanical properties. However, they also have to satisfy numerous requirements concerning their technological properties. The most important aspects which should be taken into account include: sheet s formability, weldability, galvanizing and lacquering abilities, crashworthiness of structural elements, bake hardenability effect. The desired balance between mechanical and technological properties is often difficult to obtain because it requires contrary concepts in relation to designing the chemical composition, microstructure forming etc. Rys. 1. Klasyfikacja głównych sposobów odkształcenia na zimno blach stalowych wraz z towarzyszącym im stanom odkształcenia [7] 52 W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K 2014

2 Rys. 2. Udział martenzytu indukowanego odkształceniem w wytłoczce ze stali TRIP kształtowanej przez głębokie tłoczenie [7] Rys. 3. Schemat wybrzuszania próbki przez kulisty stempel w celu wywołania naprężeń rozciągających [8] Odkształcalność technologiczna blach Odkształcalność technologiczna blach rośnie wraz ze zmniejszeniem ich wytrzymałości i zwiększeniem wydłużenia. Okazuje się jednak, że w pewnych przypadkach odkształcalność technologiczna blach jest zaskakująco mała. Jest tak dlatego, że w niektórych operacjach formowania blachy istotna jest tzw. duża plastyczność lokalna, niekoniecznie jednoznaczna z wydłużeniem całkowitym [7, 8]. Z tego względu podczas projektowania danego elementu samochodu należy rozważyć, jakiemu stanowi odkształcenia będzie on podlegał podczas kształtowania technologicznego. Ze względu na występujący stan naprężenia i odkształcenia wyróżnia się 4 główne sposoby kształtowania techreklama W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K

3 nologicznego blach: głębokie tłoczenie, rozciąganie (obciąganie), zaginanie krawędzi blach oraz zginanie. Schematyczne przedstawienie głównych operacji technologicznych wraz z towarzyszącym im stanom odkształcenia przedstawia rys. 1. W ramach każdej grupy wyróżnia się szereg operacji technologicznych, którym poddawany jest kształtowany element [9]. Zazwyczaj dany element podlega złożonemu stanowi odkształcenia, przy czym jeden z przedstawionych na rys. 1 jest dominujący. gdzie: r 0, r 45, r 90 współczynniki Lankforda r wyznaczone zgodnie z kierunkiem walcowania oraz pod kątem 45 i 90 do kierunku walcowania. Daną wartość r wyznacza się jako iloraz odkształcenia rzeczywistego szerokości próbki b do odkształcenia rzeczywistego grubości próbki h [5]: r = b / h = ln (b k /b p ) / ln (h k /h p ) (2) W przypadku blach cienkich współczynnik anizotropii normalnej wyznacza się z poniższej zależności [5]: 60 Głębokie tłoczenie Głębokie tłoczenie jest jednym z głównych procesów wytwarzania wytłoczek stosowanych na karoserię samochodu, które jest realizowane przy udziale naprężeń rozciągających i ściskających. W próbie głębokiego tłoczenia okrągłej próbki jej kołnierz podlega promieniowemu rozciąganiu i obwodowemu ściskaniu, podczas gdy ścianki boczne ulegają plastycznemu płynięciu równolegle do osi stempla, a podstawa formowanej wytłoczki praktycznie nie podlega odkształceniu (rys. 1). Główny wpływ na podatność blachy do głębokiego tłoczenia ma wartość współczynnika anizotropii normalnej r s. Współczynnik ten określa zdolność metalu do odkształcania w kierunku grubości względem jego odkształcenia w płaszczyźnie blachy [5, 8]. Dla wartości r s > od 1 tłoczony element staje się odporny na pocienienie, tym bardziej, im wyższa jest wartość współczynnika. Stale wysokowytrzymałe o wytrzymałości na rozciąganie większej od około 450 MPa, a także blachy stalowe gorącowalcowane mają wartości r s zbliżone do 1. Dla blach zimnowalcowanych o mniejszej wytrzymałości wartość r s może osiągać nawet 3 [6]. Zależy ona od składu chemicznego stali, stopnia gniotu podczas walcowania na zimno oraz temperatury i tekstury rekrystalizacji. Współczynnik anizotropii normalnej (zwany czasem współczynnikiem Lankforda) wyznacza się w próbie rozciągania w zakresie odkształcenia równomiernego. Jest on dany zależnością [5, 6]: r s = (r r 45 + r 90 ) / 4 (1) r = ln (b k /b p ) / ln (l p b p /l k b k ) (3) gdzie: b k i b p, h k i h p, l k i l p odpowiednio końcowa i początkowa szerokość, grubość i długość próbki w zakresie wydłużenia równomiernego. W przypadku tłoczenia stali TRIP z metastabilnym austenitem szczątkowym należy także wziąć pod uwagę wpływ stanu odkształcenia danego elementu na jego umocnienie, a tym samym na podatność na tłoczenie. Stabilność mechaniczna austenitu jest najwyższa podczas jednoosiowego rozciągania i maleje wraz z zastosowaniem dwuosiowego rozciągania i płaskiego stanu odkształcenia [10, 11]. W przypadku ściskania austenit szczątkowy zachowuje jeszcze większą stabilność niż podczas rozciągania, dlatego udział martenzytu indukowanego odkształceniem w ściskanym kołnierzu cylindrycznej wytłoczki (rys. 2) będzie mniejszy niż w bocznych ściankach poddanych działaniu płaskiego stanu odkształcenia [7]. Większa szybkość umocnienia odkształceniowego ścianek sprzyja formowaniu elementów głębokotłocznych. Rozciąganie Liczne elementy karoserii samochodu (kształtowane np. przez obciąganie) powstają przy zmniejszającej się grubości ścianki blachy i naprężeniach rozciągających (rys. 1). W procesie tym blacha mająca kontakt ze stemplem podlega dużym naprężeniom rozciągającym, podczas gdy zakotwiczona część blachy (np. przez progi ciągowe) nie doznaje odkształcenia (rys. 3). Dominujący wpływ na przebieg tego procesu ma wartość wydłużenia równomiernego A g Rys. 4. Schemat wyznaczania współczynnika powiększania otworu w próbie wciskania stożkowego stempla w otwór o średnicy d 0 [13] oraz wykładnika umocnienia odkształceniowego n [4, 7, 8]. Stale wielofazowe, a w szczególności stale TRIP, charakteryzują się dużymi wartościami wykładnika umocnienia odkształceniowego [4]. Sprzyja to zmniejszeniu gradientu odkształcenia kształtowanego elementu. Ponadto umocnienie pochodzące od martenzytu indukowanego odkształceniem przeciwdziała lokalizacji odkształcenia w miejscu przemiany. Wymusza to równomierną dystrybucję odkształcenia do obszarów o mniejszym umocnieniu, a w efekcie zapobiega nierównomiernemu pocienieniu kształtowanej blachy i stwarza możliwość wytwarzania elementów o bardziej skomplikowanym kształcie. Z powodu silnego umocnienia stali AHSS szczególną uwagę należy zwrócić na poprawność geometryczną projektowanej części. Należy uwzględnić odkształcenia resztkowe pochodzące z operacji kształtowania wstępnego oraz zastosować odpowiednie smarowanie [8]. Zaginanie obrzeży wywijanie otworów Jedną z najbardziej istotnych własności technologicznych blach stosowanych na karoserie samochodowe jest ich podatność do zaginania obrzeży blach, a także do wywijania kołnierzy wokół otworów. Cecha ta wskazuje na odkształcalność krawędzi blach, szczególnie krawędzi uzyskanych w wyniku wykrawania. Przycięte krawędzie pod- 54 W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K 2014

4 czas zaginania, kształtowania kołnierzy itp. podlegają dużym naprężeniom rozciągającym (rys. 1). Najlepiej podatność blachy do zaginania obrzeży oraz do wywijania otworów charakteryzują lokalna ciągliwość oraz współczynnik anizotropii normalnej [7]. Odkształcalność krawędzi blach, wyrażoną współczynnikiem powiększania otworu, wyraża się za pomocą prostej zależności [12, 13]: = [(d f d 0 )/d 0 )] 100% (4) kształcalność krawędzi jest relatywnie mała [6, 12, 13]. Dodatkowo wartość współczynnika maleje wraz ze wzrostem wytrzymałości stali (rys. 5). Wynika to z niskiej ciągliwości lokalnej, często objawiającej się pęknięciami już przy niskich wartościach odkształcenia. Stwierdzono w [7], że lokalna ciągliwość zależy od mikrostruktury stali i jest tym lepsza, im większa jest jednorodność struktury stali. W stalach DP o osnowie ferrytycznej istnieje duża różnica twardości między ferrytem i martenzytem, a w stalach typu TRIP pomiędzy ferrytem i martenzytem odkształceniowym. Jednorodność mikrostruktury można polepszyć poprzez zmniejszenie różnicy twardości pomiędzy tymi składnikami strukturalnymi. W stalach dwufazowych martenzyt zastępuje się bainitem i stosuje się stale typu FB. W stalach TRIP tworzący się z austenitu szczątkowego martenzyt wysokowęglowy ma dużą twardość, którą można jedynie zmniejszyć przez zmniejszenie zawartości C w austenicie. W stalach TRIP dąży się jednak do zwiększenia zawartości węgla w fazie. Z tego względu różnicę twardości należy zniwelować poprzez umocnienie ferrytu, co można uzyskać np. poprzez utwardzanie wydzieleniowe lub rozdrobnienie ziaren. Znacznie lepszym rozwiązaniem zwiększenia wartości współczynnika powiększania otworu w stalach TRIP jest zamiana osnowy ferrytycznej na bainit [3, 7, 11]. Wprawdzie największą wartość wykazuje bainit jednofazowy o jednorodnej mikrostrukturze (rys. 5), jednak bainit wielofazowy zawierający austenit szczątkowy przy nieznacznie mniejszych wartościach charakteryzuje się znacznie większym wydłużeniem dzięki efektowi TRIP. Różnica twardości pomiędzy bainitem i martenzytem odkształceniowym jest znacznie mniejsza niż pomiędzy ferrytem i martenzytem, a więc uzyskuje się blachy stalowe o dużym stopniu jednorodności mikrostruktury. Wartości współczynnika powiększania otworu dla stali o strukturze bainitycznej lub ferrytyczno-bainitycznej często są większe od 100%, podobnie jak w stalach o jednorodnej strukturze ferrytycznej [6, 7, 12]. gdzie: d f i d 0 odpowiednio średnica otworu w momencie powstania pęknięcia oraz średnica początkowa. Współczynnik powiększania otworu wyznacza się w próbie wciskania w otwór o średnicy d 0 stożkowego stempla (rys. 4). W momencie pojawienia się pierwszego pęknięcia mierzy się średnicę otworu d f. Wraz ze wzrostem procentowej wartości blacha stalowa wykazuje lepszą odkształcalność krawędzi blach. Mimo że stale wielofazowe typu DP i TRIP wykazują duże wartości wydłużenia całkowitego, ich odreklama W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K

5 Zginanie Największa liczba elementów karoserii samochodu w celu ukształtowania jest poddawana różnorodnym operacjom zginania: zaginanie, wyginanie, zwijanie, zawijanie. Podczas zginania wzdłuż promienia gięcia występuje gradient odkształcenia. Zewnętrzne włókna blachy podlegają rozciąganiu, podczas gdy włókna wewnętrzne leżące po przeciwnej stronie osi neutralnej podlegają ściskaniu (rys. 1). Kształtowanie technologiczne przez zginanie jest związane z dużym odkształceniem lokalnym. Z tego względu skłonność zginanych blach do pękania podobnie jak w przypadku wywijania otworów również zależy od lokalnej ciągliwości [7, 8]. Zginanie staje się problemem szczególnie w przypadku blach wysokowytrzymałych. Na rys. 6 przedstawiony jest minimalny możliwy do uzyskania promień gięcia dla blach stalowych różnego gatunku i o różnej wytrzymałości. Promień krzywizny bliski 0 można uzyskać jedynie dla blach ze stali o granicy plastyczności poniżej około 350 MPa. Dużym problemem w przypadku stali wysokowytrzymałych jest sprężynowanie blach. Zapobiega się temu przez zastosowanie specjalnego oprzyrządowania technologicznego lub formowania za pomocą walców, szczególnie przydatnego w przypadku blach o strukturze martenzytycznej [8, 9]. W przypadku niektórych elementów o skomplikowanym kształcie, aby w pełni wykorzystać zalety stali AHSS (szczególnie TRIP i TWIP), należy także rozważyć zmianę technologii kształtowania z gięcia na głębokie tłoczenie lub hydroformowanie [14]. Piśmiennictwo 1. Grajcar A.: Nowoczesne stale wysokowytrzymałe dla motoryzacji I generacji. STAL Metale & Nowe Technologie, nr 5-6/2013, s De Cooman B.C.: Structure-properties relationship in TRIP steels containing carbide-free bainite. Current Opinion in Solid State & Materials Science, nr 8/2004, s Grajcar A.: Nowoczesne stale wysokowytrzymałe dla motoryzacji III generacji. STAL Metale & Nowe Technologie, nr 3-4/2014, s Grajcar A.: Własności mechaniczne wysokowytrzymałych stali dla motoryzacji. STAL Metale & Nowe Technologie, nr 7-8/2014, s Rys. 5. Wpływ wytrzymałości na rozciąganie na ciągliwość krawędzi blach ze stali o zróżnicowanej mikrostrukturze [8] Rys. 6. Wpływ rodzaju i wytrzymałości stali AHSS na minimalny promień gięcia w próbie zginania trójpunktowego [8] 5. Blicharski M.: Inżynieria materiałowa. Stal. WNT, Warszawa De Cooman B.C., Speer J.G.: Fundamentals of steel product physical metallurgy. Association for Iron and Steel, Pittsburgh Takahashi M.: Development of high strength steels for automobiles. Nippon Steel Technical Report, vol. 88, 2003, s International Iron & Steel Institute, Advanced High Strength Steel (AHSS) Application Guidelines. 2009; 9. Erbel J.: Encyklopedia technik wytwarzania stosowanych w przemyśle maszynowym, tom I. Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa Yan Y.H., Kai G.Y., Jian M.D.: Transformation behavior of retained austenite under different deformation modes for low alloyed TRIP-assisted steels. Materials Science and Engineering A, vol. 441, 2006, s Grajcar A.: Struktura stali C-Mn-Si-Al kształtowana z udziałem przemiany martenzytycznej indukowanej odkształceniem plastycznym. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice Majta J.: Odkształcanie i własności. Stale mikrostopowe. Wybrane zagadnienia. Uczelniane Wyd. Naukowo-Dydaktyczne, Kraków Konieczny A., Henderson T.: Product design considerations for AHSS displaying lower formability limits in stamping with sheared edge stretching. Proc. of the Seminar on Great Designs in Steel, AISI, Livonia, 2007, s. 1, Gronostajski Z., Niechajowicz A., Polak S.: Prospects for the use of new-generation steels of the AHSS type for collision energy absorbing components. Archives of Metallurgy and Materials, vol. 55, 2010, s W R Z E S I E Ń- P A Ź D Z I E R N I K 2014