Muottiin karkaisun metallurgia Henri Järvinen Tampereen teknillinen yliopisto Materiaalitieteen laboratorio/metalliteknologian tutkimusryhmä Lämpökäsittely- ja takomopäivät 10.-11.10.2017 Tampere
Metallurgia - wikipedia FIN: Metallurgia on luonnontieteisiin ja teknisiin tieteisiin kuuluva tieteenala/oppi, joka käsittelee metallien (tai laajemmin käsitettynä myös muiden epäorgaanisten materiaalien) valmistus- ja jalostusmenetelmiä, sekä tutkii niiden elinkaarta ja sen aikana tapahtuvia muutoksia usein metallien kiderakenteen näkökulmasta. Historiallisesti metallurgian kehitys on kulkenut samaa tahtia teräksen valmistusmenetelmien kanssa, sillä valtaosa maailman metallintuotannosta liittyy teräkseen. EN: Metallurgy is a domain of materials science and engineering that studies the physical and chemical behavior of metallic elements, their inter-metallic compounds, and their mixtures, which are called alloys. Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 2
Metallurgilla on haasteita CO 2 päästöt turvallisuus Autokorin keventäminen passiivisen turvallisuuden jatkuva parantaminen Lujempien terästen käytön lisääntyminen Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 3
joihin metallurgi pyrkii tarjoamaan uusia ratkaisuja Lähde: http://www.aptgroup.com/company/news/apt-approves-newfire-resistant-hydraulic-oil-press-hardening Lähde: http://www.bohleredelstahl.com/en/2086.php Lujien terästen kylmämuovaus on haasteellista (suuret muovausvoimat, takaisinjousto) Kuumamuovausprosessien yleistyminen (= lämpökäsittely + muovaus + karkaisu) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 4
Prosessi Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 5
Muottikarkaisu on etenkin autoteollisuuden hyödyntämä valmistusprosessi Verrattain uusi menetelmä, jota käytetään autokorin erikoislujien- ja turvallisuutta edistävien komponenttien valmistuksessa 3 10 min Ohutlevyn (0.7 3.0 mm) jatkojalostusta karkaistuksi komponenteiksi Yhdistää lämpökäsittelyn, kuumamuovauksen ja karkaisun samaan prosessiin 5-10 C/s > 50 C/s Kuumamuovaus mahdollistaa monimutkaisten ja lujien komponenttien valmistuksen ja erinomaisen mittatarkkuuden Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 6
Muottiin karkaisua laboratorio-mittakaavassa (video) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 7
Muottiin karkaisua laboratoriomittakaavassa Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 8
Suora- ja epäsuora muottikarkaisu Kustannustehokas (tämän esityksen painopiste) käytössä kaikkein monimutkaisimpien geometrioiden kanssa Lähde: Karbasian H, Tekkaya AE. A Review on Hot Stamping. Journal of Materials Processing Technology, 2010;210:2103-18 Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 9
Prosessissa jalostetaan ns. booriteräksiä (PHS = press hardening steels) 2 1 3 Tulevaisuuden PHS -laadut Aihio austenoidaan kuumamuovausta varten erinomainen muovattavuus austeniittisena 850 650 C:ssa Kuumana muovattu aihio karkaistaan samassa prosessissa muovaustyökalun avulla takaisinjousto eliminoidaan erinomainen mittatarkkuus Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 10
Muottiin karkaistut booriteräkset vs. muut autoteollisuuden teräkset Lähde: WorldAutoSteel 2017 Muottiin karkaistut teräkset ovat lujia, mutta sitkeydeltään varsin rajallisia autokorin lujimmat komponentit (ottavat törmäyksen vastaan) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 11
Esimerkki booriterästen käytön lisääntymisestä henkilöautoissa (esim. Volvo XC90) Booriterästen käytön lisääminen on tällä hetkellä kustannustehokkain tapa keventää komponentteja ja ylläpitää/parantaa autojen turvallisuutta Kaksi- ja monifaasiterästen (DP ja CP) käyttö vähentyy tällä hetkellä tasaisesti Tulevaisuudessa booriterästen käyttö tulee yhä lisääntymään (max osuus n. 45 %), samalla Q&P teräkset tulevat todennäköisesti korvaamaan vanhempia kylmämuovattavia laatuja Lähde: H. Lindberg, Advanced high strength steel technologies in the 2016 Volvo XC90, Seminar presentation 16.5.2016, Great Designs in STEEL 2016 Seminar. Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 12
Metallurgia Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 13
Metallurginen perusta - teoria Teräkseltä edellytetään erinomaista karkenevuutta Prosessissa tavoitellaan jäähtymisnopeutta, joka on suurempi kuin teräksen kriittinen jäähtymisnopeus Ainutlaatuiset ominaisuudet luodaan prosessilla ei niinkään seosaineilla Seosaineiden käytön minimointi (hitsattavuus, kustannukset) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 14
Metallurginen perusta - käytäntö Kuumamuovauksessa austeniittiin varastoituu energiaa ajava voima ferriitin muodostumiseen kasvaa merkittävästi (DIFT = deformation induced ferrite transformation) Muovauksen vaikutus ferriittisten faasien muodostuminen helpottuu Kriittinen jäähtymisnopeus on käytännössä paljon suurempi kuin CCT-diagrammin avulla määritetty Muovauksen vaikutus riippuu myötymästä, myötönopeudesta, muovauslämpötilasta ja teräksen koostumuksesta Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 15
Metallurginen perusta suojaavat pinnoitteet Pinnoite suojaa hiilenkadolta ja pinnan hilseilyltä sekä tarjoaa korroosiosuojan Mekaaninen korroosiosuoja (AlSi-pinnoite) Galvaaninen korroosiosuoja (Zn & ZnFe -pinnoitteet) Pinnoitteen pintaan muodostuva oksidi voi toimia kiinteänä voiteluaineena Pinnoitteessa ja pinnoite/teräs -rajapinnalla tapahtuvat ilmiöt ovat monimutkaisia Prosessia, esim. muovauslämpötilaa, on jouduttu modifioimaan pinnoitettuja teräksiä käytettäessä, esim. aktiivinen esijäähdytys alle 600 C kuumamuovaus Seosaineiden käyttöä joudutaan lisäämään etenkin pinnoitettuja teräksiä käytettäessä Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 16
Booriteräs 22MnB5 R p =1100 MPa, R m =1500 MPa, A 80 =5-6 %, α max 60 Seostus suunniteltiin maatalouskoneiden, esim. puimureiden terien materiaaliksi (kovuus ja kulumiskestävyys) Teräs osoittautui toimivaksi ratkaisuksi myös autokorin suojauskomponenteissa (v.1984, SAAB 9000 sivutörmäyssuoja) Lähde: SSAB 22MnB5 on edelleen eniten käytetty muottiin karkaistava teräs Koostumus: 0.23 % C, 1.2 % Mn, 0.3 % Si, 0.2 % Cr, 0.03 % Al, 0.03 % Ti, 0.0030 % B Lähde: http://www.kirchhoff-automotive.com/products/cars/b-pillar/ Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 17
Seosaineiden roolit booriteräksissä Seosaine C Mn Si Cr Al Ti B Tehtävä 1 Martensiitin lujuus välisija-atomien kautta Hapen poisto, karkenevuus Hapen poisto, hienontaa raekokoa Karkenevuus Tiivistys, poistaa sekä happea että typpeä Typen sitouttaminen TiN Parantaa merkittävästi karkenevuutta Tehtävä 2 Karkenevuus Lisää teräksen lujuutta korvaussijaatomien kautta Voidaan käyttää estämään sementiitin muodostumista Lisää teräksen lujuutta korvaussijaatomien kautta Hienontaa raekokoa Hienontaa raekokoa Mahdollistaa seosaineiden vähentämisen ja paremman hitsattavuuden (hiiliekvivalentti pienenee) Jaottelu Stabiloi austeniittia Stabiloi austeniittia Stabiloi ferriittiä Stabiloi ferriittiä Mikroseosaine (nitrideinä ja oksideina) Mikroseosaine (nitrideinä ja karbideina) Mikroseosaine (liuoksessa) Lisäksi ns. epäpuhtaudet: N max =0.0060 %, S max =0.0050 %, P max =0.090 % Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 18
Seosaineiden vaikutus CCTdiagrammiin/faasimuutoksiin Lämpötila Austeniitti Martensiitti Seosaineiden lisäys: C, Mn, Cr, Mo kriittinen jäähtymisnopeus pienenee Aika Toisaalta: hiiliekvivalentti nousee (CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15) Hitsattavuus heikkenee Seostustannukset lisääntyvät Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 19
Lujemmat standardilaadut 30MnB5 ja 34MnB5 Käytännössä sama seostus, mutta korkeampi hiilipitoisuus 0.28-0.35 %, joilla saavutetaan karkaistuna lujuustasot 1800-2100 MPa Sitkeys (esim. 3-pistetaivutettavuus) on osoittautunut ongelmakohdaksi korkeilla hiilipitoisuuksilla: α max ei ole riittävä, koska seosta ei ole suunniteltu autoteollisuuden vaatimuksiin Lujuustasoltaan 2000 MPa terästen käyttö vaatii seostuksen modifiointia ja koko valmistusprosessin optimointia (sulaprosessit, kuuma- ja kylmävalssaus, jatkuvatoiminen hehkutus, muottikarkaisun prosessiparametrit) Myös vetyhaurausriski (delayed cracking) on minimoitava Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 20
Uusien PHS-terästen kehityssuunnat Mikroseostus Nb, Ti, V: tarkoituksena hienontaa raekokoa ja lujittaa terästä pienten (~2-50 nm) koherenttien erkaumien avulla (nitridit, karbidit, karbo-nitridit) Karkeiden epäjatkuvuuskohtien eli ns. sekundääristen faasien minimointi mikrorakenteesa (esim. TiN, AlN, MnS). Titaania tarvitaan kuitenkin boorin suojaamiseen. Korkea Mn-pitoisuus, esim. 2.0 % (karkenemisen parantaminen etenkin 1500 MPa lujuusluokassa) ja ferriitin muodostumisen eliminointi Matala Mn-pitoisuus, esim. 0.5 % (suotautumisen ja nauhamaisuuden vähentäminen tavoitteena mahdollisimman homogeeninen mikrorakenne, etenkin 2000 MPa lujuusluokassa) Korkeampi Si-pitoisuus (0.5-1.2 %) (itsepääsemisen minimointi), karkea sementiitti (Fe 3 C) toimii myös murtuman ydintymiskohtana Epäpuhtauksien vähentäminen (valmistusprosessien optimointi) Vetyhaurausriskin minimointi (vetyloukut = pienet erkaumat, raekoon hienontaminen, nauhamaisuuden välttäminen, TiN vähentäminen, prosessien optimointi) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 21
Seostusta muuttamalla voidaan muuttaa myös prosessia! 22MnB5: 0.24 C 1.25 % Mn 22MnB8: 0.24 C 2.0 % Mn Kuumamuovaus voidaan suorittaa matalammassa lämpötilassa, mutta yhä austeniittisena Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 22
Mikrorakenne Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 23
Mikrorakenteen kehittyminen Austeniitti (~900 C) Ferriitti + perliitti Martensiitti Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 24
Austeniitista martensiitiksi Lähde: H. Kitahara, R. Ueji, N. Tsuji, Y. Minamino, Crystallographic features of lath martensite in low-carbon steel, Acta Materialia, Vol. 54, No. 5, 2006, pp. 1279-1288. Lähde: https://www.youtube.com/watch?v=oq5lvjyssko Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 25
Martensiitin morfologia Lähde: https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2011/martensite_koseki.pdf Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 26
Martensiitin morfologia 22MnB5 Martensiitti - 22MnB5 (optinen mikroskooppi, 4 % Nital) Martensiitti - 22MnB5 (SEM, 4 % Nital) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 27
Martensiitin morfologia 22MnB5 Martensiitti - 22MnB5 (optinen mikroskooppi, 4 % Nital) Martensiitti - 22MnB5 (SEM-EBSD) =50 µm; BC+IPF(Z0); Step=0.15 µm; Grid1168x834 Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 28
Mikrorakenteen homogeenisuus? Muottiin karkaisussa tapahtuu myös martensiitin itsepääsemistä (400 150 C) Martensiitti (1) itsepäässyt martensiitti (2) 2 1 Myös ferriitin ja bainiittisen ferriitin muodostuminen on paikallisesti tyypillistä (myötymä ja jäähtymisnopeuserot) 2 Perinnäisen austeniitin raeraja Ferriitti 1 Bainiittinen ferriitti? Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 29
Auto-tempering eli itsepääseminen Korkea M s lämpötila edestauttaa itsepääsemistä Korkeassa lämpötilassa muodostuneet martensiittisäleet pääsevät hyvin nopeasti etenkin 400-300 C transitiokarbidien ja sementiitin muodostumista Laskee murtolujuutta, mutta parantaa sitkeyttä muottikarkaistut komponentit ovat sitkeydeltään hieman parempia kuin vedessä karkaistut kappaleet (vähemmän sisäisiä jännityksiä) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 30
Teräksen lähtörakenteeseen voidaan vaikuttaa kuuma- ja kylmävalssauksen parametreilla sekä hehkutuskäsittelyillä Kylmävalssattu Hehkutettu n. 700 C Hehkutettu yli 800 C Hehkutettu alle 700 C Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 31
Teräksen lähtörakenteella ja muottikarkaisun prosessiparametreilla voidaan kontrolloida austeniitin raekokoa Hehkutettu yli 800 C Kylmävalssattu Hehkutettu alle 700 C Hehkutettu n. 700 C Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 32
=50 µm; BC+IPF(Z0); Step=0.15 µm; Grid1168x834 =50 µm; BC+IPF(Z0); Step=0.15 µm; Grid1168x834 Teräksen lähtörakenteella ja muottikarkaisun prosessiparametreilla voidaan kontrolloida martensiitin raekokoa /morfologiaa Kylmävalssattu (ferriitti + perliitti) Austeniitti (EBSD) karkea Martensiitti (EBSD) Rekristallaatiohehkutettu (ferriitti + palloutunut sementiitti) Austeniitti (EBSD) hieno Martensiitti (EBSD) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 33
Autoteollisuuden komponenteille suoritettava maalausprosessi vaikuttaa komponenttien ominaisuuksiin 170 C/20 min Lähde: Fan D, Kim H, De Cooman B. A Review of the Physical Metallurgy related to the Hot Press Forming of Advanced High Strength Steel. steel research international 2009;80:241-8. Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 34
Maalausprosessin (170 C/20 min) vaikutus mikrorakenteeseen? ennen jälkeen Martensiitti + itsepäässyt martensiitti (transitiokabidit + sementiitti) Martensiitti + transitiokarbidit + itsepäässyt martensiitti (transitiokarbidit + sementiitti) Karkaistussa tilassa transitiokarbidien ja sementiitin muodostuminen on hyvin vähäistä kovassa martensiitissa Hienojakoisten karbidien määrä lisääntynyt myös alueilla, jossa on ollut kovaa martensiittia Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 35
Maalausprosessin vaikutus mekaaniseen käyttäytymiseen? Martensiitti on mikrorakenne, jossa on suuri dislokaatiotiheys ja paljon lyhyen matkan sisäisiä jännityksiä Karkaistussa tilassa hiiliatomit suotautuvat jo karkaisun aikana martensiitin sälerajoille ja lujittavat dislokaatioita hyvin tehokkaasti (plastisuus on rajallinen ja pienenee C% mukaan) 170 C/20 min: hiili diffuntoituu pois sälerajoilta ja muodostaa yhä enemmän transitiokarbideja ja hienojakoista sementiittiä dislokaatioliike vaikeutuu, muokkauslujittumisnopeus kasvaa (korkeampi C% korostaa ilmiötä) Myötölujuus nousee (100-200 MPa) Murtolujuus laskee (50-150 MPa) Martensiitti pehmenee (vrt. päästö), mutta plastisuus lisääntyy etenkin 2000 MPa lujuusluokassa (suurempi C %) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 36
Maalausprosessin vaikutus murtumakäyttäytymiseen? 22MnB5 - ennen 22MnB5 - jälkeen 22MnB5: ei merkittävää muutosta 34MnB5 - ennen 34MnB5 jälkeen 34MnB5: merkittävä muutos Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 37
Maalausprosessin vaikutus 2000 MPa luokan teräksiin? Merkittävä vaikutus sitkeyteen/plastisuuteen (vaikutus huomioitava taivutettavuutta ja törmäyskestävyyttä arvioitaessa) 2000 MPa murtolujuuden ylläpitäminen on erittäin haastavaa (käytännössä 1900 MPa on realistinen) Murtolujuuden pieneneminen johtuu hiilen diffuusiosta voidaan hidastaa : 1) hiilen aktiivisuuden vähentäminen (esim. korvaussija-atomit Mo, Cr, V) toisaalta hidastaa sitkeyden/plastisuuden lisääntymistä 2) sementiitin muodostumisen estäminen (korkeampi Si-pitoisuus) karkean Fe 3 C:n muodostumisen estämisellä on positiivinen vaikutus sitkeyteen Onko olemassa mekanismia, jolla murtolujuus säilyy, mutta plastisuus lisääntyy riittävästi? On! Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 38
Sekundääristen faasien vaikutus PHS terästen sitkeyteen? Kovien partikkelien vaikutus (kuvat 1 & 3) vetokoetuloksiin on suhteellisen vähäinen (1) (2) Ti,Al (N) Liukenematon ferriitti&sementiitti (kuva 2) = vajaa austenointi heikentää plastisuutta (jännityksen keskittyminen pehmeään ferriittiin) 3-pistetaivutuksessa teräkseltä edellytetään kykyä sietää paikallista plastista muodonmuutosta sekundääristen partikkelien vaikutus on huomattavasti suurempi (epäjatkuvuuskohtia ja alkusärön ydintymiskohtia) (3) (4) Ti,Al,V(N) F Fe 3 C MnS + Ti,V(N) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 39
Esimerkki: nauhamaisten MnS vaikutus taivutettavuuteen Lähde: M Fermér, J Jergeus, R Johansson, JK Larsson, Hot Formed Steel in Car Body Structures, Automotive Body Conference (IABC), Munich, Germany, 2010 Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 40
Yhteenveto Muottikarkaisu on prosessi, joka mahdollistaa monimutkaisten ja mittatarkkojen erikoislujien komponenttien valmistamisen Muottiin karkaistavat teräkset ovat tyypillisesti hyvin karkenevia ja suhteellisen niukkaseosteisia 1500 MPa luokan 22MnB5 teräs on yleisin muottiin karkaistava teräs 2000 MPa luokan PHS-terästen kehitys vaatii koko prosessointiketjun optimointia ja ymmärrystä materiaalikäyttäytymisestä ja uusia metallurgisia ratkaisuja Pinnoitettujen terästen menestyksekäs prosessointi on huomattavasti monimutkaisempaa (faasimuutokset myös pinnoitteessa, pinnoitteen ja teräksen väliset rajapintailmiöt) Pinnoitettujen 2000 MPa luokan terästen kehitys ja prosessointi on kaikkein monimutkaisinta (mutta ei mahdotonta) Uusien PHS -terästen kehitys vaatii ymmärrystä mikrorakenteen kehittymisestä, muottiin karkaisuprosessista ja keinoista modifioida teräksen ominaisuuksia seostuksen ja eri prosessivaiheiden kautta Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 41
Kysymyksiä? Henri Järvinen Tutkija/Tohtorikoulutettava henri.jarvinen@tut.fi +358 503014683 Tampereen teknillinen yliopisto Materiaalitieteen laboratorio (Metalliteknologian tutkimusryhmä) Lämpökäsittely- ja takomopäivät, Tampere 10.10.2017 42