Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

Tyto díly jsou většinou tvářeny za tepla a kaleny ve formě, což s sebou nese nutnost ochrany povrchu nástřihu proti oxidaci.

Nejpevnější díly automobilové karoserie jsou vyráběny převážně z mangan-borové martenzitické oceli, která vyniká vysokou pevností až 1 500 MPa. S takto vysokou mezí pevnosti jsou však spojeny značné potíže při výrobě konečného tvaru dílů. Síly potřebné při tváření za studena by byly obrovské, navíc martenzitická ocel nedisponuje dostatečnou tažností. Z toho důvodu je nutné použít metodu kalení ve formě označovanou jako hot stamping, a to buď přímou, nebo nepřímou. U nepřímé varianty je díl nejdříve tvářen za studena, pak převeden do austenitického stavu zahřátím a následně zkalibrován a zakalen v chlazené formě. U přímé varianty nedochází k předtváření za studena, nýbrž celá operace tváření včetně kalení probíhá v chlazené formě.

Ocel 22MnB5, která se užívá běžně v automobilovém průmyslu, je většinou tvářena přímou metodou. Přístřih z feriticko-perlitické oceli o mezi pevnosti 600 MPa je zaustenitizován po dobu několika minut při teplotách nad 880 °C. Tvářením a rychlým ochlazením ve formě je pak dosaženo martenzitické struktury.

Tvářením za tepla je tedy možné dosáhnout požadovaného tvaru a pevnosti dílu. Nicméně při austenitizaci přístřihu dochází při styku jeho povrchu se vzduchem k oxidaci a oduhličení. Za účelem zamezení tomuto jevu jsou materiály určené ke tváření za tepla povlakovány ochrannými vrstvami, většinou na bázi Al-Si.
Povlaky Al-Si jsou na plechy nanášeny metodou žárového pokovování a nejčastěji mají chemické složení 87 % hliníku, 10 % křemíku a 3 % železa. Jejich složení se v průběhu procesu výroby dílu však výrazně mění.

Povlak o výše uvedeném chemickém složení má teplotu tání zhruba 600 °C, což je z hlediska procesu, kdy je potřeba překročit teplotu pro austenitizaci přístřihu (845 °C) nevyhovující. Během ohřívání však dochází k difuzi prvků ze základního materiálu do povlaku a naopak za tvorby fází na bázi Al-Fe, které mají mnohem vyšší teplotu tání než povlak o původním chemickém složení.

Trend v oblasti nasazení vysokopevnostních, za tepla tvářených ocelí na příkladu karoserie Octavie
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Dlouhou dobu byl přijímán fakt, že rychlost difuze železa do povlaku a následná tvorba intermetalické fáze Al-Fe-Si je při nízkých ohřevových rychlostech dostatečně rychlá natolik, aby došlo k vytvoření fází na bázi Al-Fe. Nicméně bylo zjištěno, že ani při ohřevu rychlostí 0,08 K.s-1 není difuze železa dostatečná k tomu, aby zabránila roztavení určitého objemu povlaku. Z toho plyne, že v průmyslové praxi, kde se používají rychlosti ohřevu výrazně vyšší, není možné tavení povlaku předejít.
Paradoxně s ohledem na dříve přijímaný fakt je dosahováno největší difuze železa do povlaku při užití vysoké rychlosti ohřevu, což je vysvětlováno tím, že při roztavení povlaku probíhá difuze mnohem intenzivněji než v pevném stavu.

Povlak nemá v důsledku difuze v celém průřezu homogenní chemické složení, což je dále důležité zejména s ohledem na tvařitelnost a svařitelnost plechů. V závislosti na výši austenitizační teploty a doby výdrže na této teplotě se mění struktura povlaku tak, jak ukazují obrázky někde. Dochází k rozšíření oblastí a pásem se zvýšeným obsahem železa a křemíku.

S tímto jevem spojená změna mechanických vlastností subvrstev způsobuje praskání povlaku při tváření a jeho zadírání ve formě. Vzniklé trhliny v kombinaci spolu se změnou chemického složení zároveň zhoršují svařitelnost.

Zajímavou alternativou k Al-Si povlakům je použití ochranných olejů. Tyto oleje jsou původně určeny pro tváření korozivzdorných ocelí a titanových slitin. Nicméně byly provedeny experimenty za účelem zjištění, zda je možné je použít i jako ochranu proti oxidaci při tváření martenzitických vysokopevnostních ocelí.
Princip ochrany přístřihu pomocí oleje spočívá v jeho nanesení na povrch plechu, vysušení, po němž dojde k vytvoření pevného filmu sloužícího jako oxidační bariéra. Tento film pak za vyšších teplot přechází z pevného skupenství do kapalného a nadále slouží jako bariéra proti pronikání kyslíku k materiálu. Ochranné schopnosti se zlepšují se zvyšujícím se počtem vrstev, nicméně pro 4 a více vrstev již dochází k exfoliaci.

Po zpracování dílu je nutné film z povrchu součásti odstranit. Ačkoli jsou oleje vodou ředitelné, není možné je vodou po tváření odstranit. Je tedy nutné je odstraňovat 10% kyselinou fosforečnou o teplotě 70 °C. Po vyčištění je dosaženo naprosto čistého povrchu pro vzorky s dvouvrstvým a třívrstvým povlakem, zatímco u jednovrstvého povlaku zůstávají na povrchu oblasti s okujemi.

Používání olejů jako ochrany proti oxidaci během procesu tváření skýtá v porovnání s jinými metodami ochrany řadu výhod. Jednou je bezesporu snadná aplikace.

Hlavním problémem se jeví být potřeba nákladného zařízení na odstraňování povlaku pro tváření.

Povlak Al-Si po výdrži na austenitizační teplotě 850 °C

Povlak Al-Si po výdrži na austenitizační teplotě 885 °C

Zinkové povlaky jsou v sériové výrobě stále zastoupeny v největším měřítku, avšak u vysoko-pevnostních martenzitických ocelí byly nahrazeny povlaky Al-Si popsanými v předchozí části. Jeden z hlavních důvodů je, že tyto povlaky není možné zpracovávat metodou přímého kalení ve formě kvůli nízké teplotě tání Zn. Při kalení ve formě dochází k difuzi taveniny, případně i zinku v pevném stavu po hranicích zrn, který způsobuje jejich oslabení a následné praskání za tepla. Povlaky na bázi zinku je proto možné zpracovávat pouze metodou nepřímou a v poslední době i modifikovanou metodou přímou.

Modifikace přímé metody spočívá ve snížení teploty před samotným kalením ve formě a eliminuje tak praskání za tepla způsobené difuzí zinku po hranicích zrn. K tomuto muselo být upraveno chemické složení běžně užívané oceli 22MnB5, které vedlo ke snížení obsahu uhlíku a zvýšení obsahu manganu. Stejně tak jako Al-Si povlak i zinkový povlak prodělává během procesu změnu ve složení difuzí železa do povlaku, který obohacuje a zvyšuje tak teplotu tání, a difuzí Zn v protichůdném směru. Výsledná mikrostruktura obr. 4 je však v případě zinkových povlaků homogennější bez mikrotrhlin vedoucích až k samotnému substrátu. Ve prospěch Zn povlaků hovoří i uváděná lepší katodická ochrana substrátu.

Povlak Zn na oceli 22MnB5

Za tepla tvářené martenzitické oceli v současné době tvoří velmi obtížně nahraditelnou skupinu materiálů pro konstrukci automobilu. Jejich nesporné přednosti jsou však vykoupeny nedostatky v podobě obtížné zpracovatelnosti způsobené přítomností povlaku Al-Si na jejich povrchu. Proto jsou zkoumány alternativní způsoby metody ochrany oceli proti oxidaci během tepleného zpracování v podobě povlaků na bázi Zn a nátěrů oleji.

Škoda Auto, VŠCHT v Praze, Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství

Tomáš Pilvousek, Jaroslav Petr-Soini, Vojtěch Kučera

Tomas.Pilvousek@skoda-auto.cz

Literatura

1. KARBASIAN, H., TEKKAYA, A. E., A review on hot stamping. Journal of Materials Processing Technology. [online]. Elsevier. 2010, 210, 2103–2118.
2. GRAUER, S. J., CARON, E. J. F. R., CHESTER, N. L., WELLS, M. A., DAUN, K. J., Investigation of melting in the Al-Si coating of a boron steel sheet by differential scanning calorimetry. Journal of Materials Processing Technology. [online]. Elsevier. 2015, 216, 89–94.
3. GUI, Z., LIANG, W., ZHANG, Y., Formability of aluminium-silicon coated boron steel in hot stamping process. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. [online]. Elsevier. 2014, 24, 1750–1757.
4. MORI, K., ITO, D., Prevention of oxidation in hot stamping of quenchable steel sheet by oxidation preventive oil. CIRP Annals – Manufacturing Technology [online]. Elsevier. 2009, 58, 267–270.
5. JI, C. W., Effects of surface coating on weld growth of resistance spot-welded hot-stamped boron steels†. Journal of Mechanical Science and Technology [online]. Springer, 2014, 28, 4761–4769.
6. L. CHO, et al., Scripta Materialia [online]. 2014, Vol. 90–91, No., pp. 25–28.
7. T. KURZ, et al., Press-hardening of zinc coated steel - characterization of a new material for a new process. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering [online]. 2016, Vol. 159, No. 1, pp. 012025.