Teräksen ominaisuuksien räätälöinti

Antti Järvenpää 2012 1 Teräksen ominaisuuksien räätälöinti Antti Järvenpää Oulun yliopisto / Oulun Eteläisen Instituutti FMT-tutkimusryhmä 1

Antti Järvenpää 2012 2 1. Johdanto 2. Lämmönlähteet Sisältö 3. FMT-ryhmän tutkimustuloksia 4. Räätälöidyn lujuuden AISI 301LN 5. Thermal Simulation of Laser Surface Modification of H13 Die Steel 6. Aluminum tailored heat treated blanks 2

ULLA-Projekti Antti Järvenpää 2012 3 1. Johdanto Teräskehityksen trendi Energiatehokkuus, ympäristovaatimukset Suurempi lujuus, kevyempi ja kestävämpi rakenne Tulevaisuuden kulutus- / rakenneteräkset? Räätälöidyn lujuuden levyt Teräksen ominaisuuksien modifioiminen paikallisesti Kuluvat alueet koviksi, muovattavat alueet pehmeiksi, mutta muokkauslujittuviksi, väsymisominaisuuksien parantaminen, hitsien jälkikäsittely Monimutkaiset muovatut rakenteet ultralujasta teräksestä Kuvat www.ruukki.com / www.miilux.fi 3

Antti Järvenpää 2012 4 2. Lämmönlähteet Lämpökäsittely Laser Liekkikuumennus, laser, plasma, tig-poltin, induktio Induktio yleisesti käytetty (esim. putkien/palkkien valmistus) Induktiokela suunnitellaan tiettyyn käyttötarkoitukseen Laserin käyttö lisääntynyt monipuolisuutensa vuoksi Materiaali ei tiedä millä/miten lämpö tuodaan Monipuolisuus Samalla laitteistolla leikkaus, hitsaus sekä lämpökäsittely Ulottuvuus, hallittavuus, säädettävyys Ulottuvuus: nurkat, reiät, vaikeat 3D-geometriat Hallittavuus/Toistettavuus: Hajonta jää mittausmenetelmien hajonnan piiriin. Säädettävyys: Lämpötila voidaan kohdistaa pintaa, läpi tai jonnekin välimaastoon. Terästä voidaan kuumentaa joistain asteista aina sulamispisteeseen asti. Tyypillinen levyn vahvuus laserille 0 10 mm (lämpökäsittely) 4

Antti Järvenpää 2012 5 2. Nopea kuumennus Kuumennusnopeuden kasvu /1,2,3/ Rekristallisaatio: Nostaa sekä ydintymislämpötilaa (TN), että täydelliseen rekristallisoitumiseen vaadittavaa lämpötilaa (Tf) Austenointi: Nostaa austeniitin muodostumislämpötilaa (Ac3) ja vaikuttaa karbidien hajaantumiseen rakeen kasvulle jää vähemmän aikaa ja raerakenteesta muodostuu näin hienompi Päästö: Nostaa karbidien muodostumislämpötilaa. Ydintymispaikkoina toimivia dislokaatioita on enemmän, koska hehkutus on lyhyt johtaen hienompaan karbidijakaumaan. 5

Antti Järvenpää 2012 6 2. Laser lämmönlähteenä Esim. muovattavuuden parantaminen paikallisesti HAZ helpohkosti kontrolloitavissa Syvyys, leveys, lämpötila Lämpötila: Säteen (lineaarinen) etenemisnopeus Syvyys/leveys: Säteen liikerata, esim. skannaava liike (amplitudi, taajuus) Levyn paksuus vaikuttaa merkittävästi Paksu levy vaatii enemmän energiaa, jolloin HAZ levenee Kompensointi esim. skannausparametreillä Kaksoissäteen käyttö (molemmat pinnat) Lämpökäsittelymenetelmä (austenointi/päästö, läpi/pintaan) 6

Temperature ULLA-Projekti Antti Järvenpää 2012 7 2. Laser lämmönlähteenä 1200 C n = 1 800 600 400 200 Upper surface Bottom surface 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 s 20 T im e 7

ULLA-Projekti Antti Järvenpää 2012 8 2. Induktiokuumennus Suurtaajuus generaattori + induktiokela Pieni taajuus magneettikenttä tunkeutuu syvälle Paksut materiaalit Suuri taajuus kohdistuu pintaan (esim. pintakarkaisu) Lämpö syntyy materiaalin sisällä Hyvä hyötysuhde, ei päästöjä Sopii hyvin automatisoituun suurtuotantoon Ei lämpöhitautta, välitön kuumentuminen Suuret kuumennusnopeudet Toistettava ja tarkka Sopii ohuille ja paksuille levyille 8

Antti Järvenpää 2012 9 2. Induktiokuumennus Kelan tyyppi Longitudinal flux Ferriittiset teräkset, paksuusalue 2 mm Transverse flux Kaikki seokset, paksuusalue 8 mm:stä alaspäin Raudan curie-piste 1041K Menettää magneettisuuden Hyötysuhde romahtaa 9

Antti Järvenpää 2012 10 3. FMT-ryhmän tutkimustuloksia ULLA-projekti 2009-2011 Ultralujien terästen paikalliset laserlämpökäsittelyt Koemateriaaleina kotimaisia rakenneteräksiä (Optim QC) ja kulutusteräksiä (Raex, Miilux) Koemateriaalien särmättävyys parani laserkäsittelyn seurauksena huomattavasti, lujuuden merkittävästi kärsimättä 10

Antti Järvenpää 2012 11 3. ULLA-projekti Paikallinen pehmennys Pehmentymisen ja särmättävyyden suhde erittäin hyvä laserlämpökäsiteltynä Erittäin hyvä muokkauslujittumiskyky kompensoi pehmentymistä 11

Antti Järvenpää 2012 12 3. Mikrorakenne: Optim 960 QC Martensiitti ferriitti/bainiitti Säleet tasaaksiaalinen Tekstuuri tasoittuu Raekoko hieno ennen ja jälkeen 12

Antti Järvenpää 2012 13 3. Käsitellyn alueen leveys Levyn paksuus vaikuttaa voimakkaasti lämmöntuonnin tarpeeseen 4 mm levyllä HAZ:n leveys noin 40 mm (30 mm) 6 mm levyllä HAZ:n leveys noin 70 mm (45 mm) Kuva 1. Poikkileikkauksen kovuusprofiili 4 mm 960QC_LLK. Kuva 2. Kovuusprofiili Miilux 500_LLK (V2.7A16F2). 13

Antti Järvenpää 2012 14 Miilux 500 6mm - Laserlämpökäsitelty 14

ULLA-Projekti Antti Järvenpää 2012 15 3. Pintapäästö Austenointi ei tuottanut järkeviä tuloksia 10 mm paksuisella levyllä Kehitettiin uusi menetelmä, missä levyn molemmat pinnat pehmennettiin nopeasti erikseen 15

Antti Järvenpää 2012 16 3. Pintapäästettyjen kovuusprofiilit Levyn paksuus vaikuttaa voimakkaasti lämmöntuonnin tarpeeseen Keskusta jäänyt perusaineen lujuuteen HAZ:n leveys vain 20 30 mm Kuva 1. Miilux 500 (V10A16F2) kovuusprofiili. Kuva 2. Raex 500 (V10A16F2) kovuusprofiili. 16

Antti Järvenpää 2012 17 Best results obtained by Reimund Neugebauer, Sören Scheffler, Reinhart Poprawe, Andreas Weisheit /4/ Microstructure Dual phase (DP) steels (t=1.5mm) Retained austenite (RA) Martensitic (MS) Property DP600 DP600* Change [%] DP1000 DP1000* Change [%] R-AW R-AW* Change [%] MS-W1200 MS-W1200* Change [%] YS [MPa] 460 394-14.3 618 478-22.7 610 540-11.5 1186 628-47.0 TS [MPa] 707 498-29.6 1016 716-29.5 750 680-9.3 1429 850-40.5 TE [%] 8.3 26 213.3 9.6 17.4 81.3 27 21-22.2 4.4 10.8 145.5 Best results obtained by B. Carlsson, SSAB Tunnplåt AB /5/ Microstructure Dual phase (DP) steels (t~2mm) Martensitic (MS) steels Property DP800 DP800* Change [%] DP980 DP980* Change [%] MS1200 MS1200* Change [%] MS1400 MS1400 Change [%] YS [MPa] 612 500-18.3 638 496-22.3 1130 592-47.6 1285 694-46.0 TS [MPa] 887 576-35.1 1011 651-35.6 1283 636-50.4 1444 739-48.8 TE [%] 14 23 64.3 14 22 57.1 4 18 350.0 3 13 333.3 Best results obtained by A. Järvenpää, K. Mäntyjärvi, P. Karjalainen, A. Määttä & M. Hietala /6/ Microstructure Complex phase steels Martensitic (MS) steels Property DQ960 DQ960* Change [%] DQ1100 DQ1100* Change [%] MS1600 MS1600* Change [%] MS1600_2* MS1600_2* Change [%] Sheet thickness [mm] 4 4-4 4-6 6-10 10 - YS [MPa] 1053 568-46.1 1208 727-39.8 1352 1022-24.4 1387 1310-5.6 TS [MPa] 1142 846-25.9 1334 983-26.3 1676 1428-14.8 1632 1516-7.1 TE [%] 7.8 15.1 93.6 8 12.5 56.3 10.6 11.8 11.3 13 14.2 9.2 UE [%] 2.4 7.7 220.8 3 6.1 103.3 3.5 5.2 48.6 3.6 3.9 8.3 R / t 3.5 0.25-93.0 4 2-50.0 5 1.7-66.0 5 1.5-70.0 17

Antti Järvenpää 2012 18 3. Laserkarkaisu Perinteinen pintakarkaisumenetelmä Lämpö kohdistetaan levyn pintaan, jolloin äkillinen lämmönjohtuminen muualle levyyn karkaisee pinnan. Vaihtoehtoisesti /7/: OEI:n kehittelemä jäähdytysastia laserkarkaisuun 2 mm vahva levy saatiin karkaistua läpi asti Rakenteesta muodostui kovempi kuin perinteisin menetelmin karkaistaessa Käsittelynopeus > 60 cm/min (HAZ ~10mm) 18

Antti Järvenpää 2012 19 3. Laserkarkaisu Parametrien ja vesijäähdytyksen vaikutus 19

Antti Järvenpää 2012 20 4. Räätälöidyn lujuuden AISI 301LN Voimakkaasti muokkauslujittuva austeniittinen ruostumaton teräs Levyn kylmävalssaus 100%:ksi martensiitiksi Reversiolämpökäsittely 700-850 asteessa, lyhyellä pidolla Lyhyt pito helppo saavuttaa laserin kaltaisella nopealla kuumennusmenetelmällä Lopputuloksena erittäin hienorakeinen austeniittinen mikrorakenne Austeniittisella kiderakenteella raekoon hienontaminen vaikuttaa väsymiskestävyyttä parantavasti Erittäin hyvät mekaaniset ominaisuudet sekä korroosionkestävyys Paikallisella lämpökäsittelyllä kulutusta kestävä martensiittinen ruostumaton teräs, missä venymiä vastaanottavat alueet on reversiokäsitellyt 20

Antti Järvenpää 2012 21 4. Räätälöidyn lujuuden AISI 301LN 362 HV1 557 HV1 300-350 HV1 21

Antti Järvenpää 2012 22 4. Räätälöidyn lujuuden AISI 301LN 22

Antti Järvenpää 2012 23 5. Thermal Simulation of Laser Surface Modification of H13 Die Steel Pinnan sulatus 1454 C Syvyys ~49µm Koemateriaali H13-teräs (550 HV) Laserteho ~1 kw Käsittelynopeus 261 mm/s Pintakovuus 882 HV0.1 HR 2377 C/s CR 4618 C/s Syarifah N. Aqida, Sumsun Naher & Dermot Brabazon /Irlanti/ 23

Antti Järvenpää 2012 24 6. Aluminum tailored heat treated blanks Alumiinin mekaanisten ominaisuuksien räätälöinti Koemateriaali: AlMgSi MgSi-erkaumien hajaannuttaminen (pehmentyminen) Tavoitteena parantaa syvävedettävyyttä paikallisella lämpökäsittelyllä Manfred Geiger, Marion Merklein & Uwe Vogt 24

Antti Järvenpää 2012 25 6. Aluminum tailored heat treated blanks Perinteisesti useamman tunnin uunihehkutukset Laserkuumennus on nopea ja lämmön ylläpito on haastavaa Nopea kuumennus ja lämpötilan korotus mahdollistavat hyvät mekaaniset ominaisuudet ilman erillistä pitoa Manfred Geiger, Marion Merklein & Uwe Vogt 25

Antti Järvenpää 2012 26 Lähteet Kiitos! 1. Control of Cementite Precipitation in Lath Martensite by Rapid Heating and Tempering. T. FURUHARA, K. KOBAYASHI and T. MAKI. Department of Material Science and Engineering, Kyoto University, Yoshida-honmachi, Sakyo-ku, Kyoto 606-8501 Japan. 2004. 8 s. 2. Recrystallization Kinetics of Low and Ultra Low Carbon Steels during High-rate Annealing. M. FERRY, D. MULJONO1 and D. P. DUNNE2. School of Materials Science and Engineering, University of New South Wales, Sydney NSW 2052, Australia. 2001. 8 s. 3. Rapid Transformation Annealing: a Novel Method for Grain Refinement of Cold-Rolled Low-Carbon Steels. C. LESCH, P. A LVAREZ, W. BLECK, and J. GIL SEVILLANO. The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International 2007. 9 s. 4. Local laser heat treatment of ultra high strength steels to improve formability. R. NEUGEBAUER, S. SCHEFFLER, R. POPRAWE, A. WEISHEIT. German academic society for production engineering 2009. 347-351. 5. Local Heat Treatment of Ultra High-Strength Steel. B. CARLSSON. EUR 23918 EN (European Communities, Luxenbourg 2009). 6. Passive laser assisted bending of ultra-high strength steels. A. JÄRVENPÄÄ, P. KARJALAINEN, K. MÄNTYJÄRVI, Advanced Materials Research, (hyväksytty), The 2nd 2011 International Conference on Advances in Materials and Manufacturing Processes, (2nd ICAMPP), Dec. 16-18, 2011, Guilin, China. 7. Water cooling in sheet metal laser hardening. K. Mäntyjärvi, A. Järvenpää, J. A. Karjalainen, J. Ojala, M. Keskitalo, J. Mäkikangas. 8. Enhanced mechanical properties through reversion in metastable austenitic stainless steels. M. C. SOMANI et. Al. 9. AISI 301LN teräksen paikallinen laserlämpökäsittely kandityö. M. JASKARI. Oulun yliopisto, materiaalitekniikan lab. 26