Témata
Reklama

Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

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

Reklama
Reklama

Vysokopevnostní oceli a jejich zpracování

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.

Ochranné oleje

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

Povlaky na bázi Zn

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

Závěr

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.

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 190127
Datum: 06. 02. 2019
Rubrika: Trendy / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

Automobilový průmysl je specifické odvětví, které je významně poháněno společenskými tlaky na ekologický provoz vozidel, tedy na snižování emisní zátěže i obecné spotřeby pohonných hmot a kontinuální vývoj elektromobility. Tyto trendy se dotýkají jak konstrukce vozu, tak i technologické zpracovatelnosti jednotlivých komponentů. Jenom v horizontu 10 let se předpokládá redukce dílů z oceli o 20 % a jejich nahrazení speciálními materiály na bázi kompozitu.

Lehké konstrukce automobilů - Specifické povlaky hlubokotažných ocelí

Na konstrukční materiály používané při stavbě automobilové karoserie jsou kladeny mimořádné požadavky. Specifické podmínky musejí splnit zejména vnější povrchové díly karoserie, které jsou nositeli designu vozu a které tím i do značné míry rozhodují o prodejnosti a úspěšnosti daného modelu. Kromě základních mechanických podmínek musejí povrchové díly splnit perfektní lakovatelnost, mimořádnou korozní odolnost, ale také musejí mít schopnost bezproblémového zpracování – ať už lisováním, nebo rozmanitými technologiemi spojování, jako je laserové pájení a lepení.

Související články
Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Prostor pro laserovou automatizace je stále obrovský

Česká společnost Lascam systems se zabývá zejména dodávkami laserových zařízení pro obrábění kovů a plastů. Byla včas u rozvoje moderních laserových technologií a dnes pomáhá firmám s integrací laserových aplikací do výrobních procesů. Podle slov obchodního ředitele společnosti Karola Flimela se považují spíše za dodavatele řešení než distributora jednotlivých zařízení a za největší výzvu považují složité inovativní projekty, které přinášejí nový způsob výroby.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Na cestě k autonomním dopravním prostředkům

Ve Stockholmu se bude konat na začátku června globální summit o veřejné dopravě UITP 2019, který pokrývá všechny městské a regionální druhy dopravy po celém světě, kombinuje různorodý program přednášek, workshopů, zasedání a expozic a zůstává největší světovou akcí zaměřenou na udržitelnou mobilitu. Neustále se vyvíjející veřejná doprava je definována potřebami měst a neobejde se bez odborníků, kteří se dívají do budoucnosti. Summitu se účastní ministři dopravy, starostové a zástupci městských dopravních podniků, provozovatelé veřejné dopravy, generální ředitelé průmyslu, výrobci dopravních prostředků, operační a síťoví manažeři, vývojáři a mnoho dalších odborníků v segmentu veřejné dopravy.

Lasery + Optika v průmyslu

Lasery i optické přístroje jsou součástí stále většího počtu průmyslových aplikací, a to v oblasti zpracování kovových i nekovových materiálů. První ročník konference zabývající se právě problematikou využití laseru v průmyslu v České republice uspořádala společnost Lascam pro vedoucí technology, vedoucí výrobních úseků, vyšší management a ředitele výrobních podniků – klíčové osoby, které rozhodují o strategii firmy a zavádění inovací do výrobních procesů.

Lidé a stroje tvoří sehraný tým

Psal se rok 1908, když začala v detroitském Fordu výroba modelu T, hovorově zvaného jako Tin Lizzie aneb plechová Líza. Jednalo se o milník, který „postavil Ameriku na kola“. Přesně v tom samém roce založil Hermann Gebauer v Görlitz firmu Mewa. Továrny se ocitly na vlně průmyslu 2.0 a začaly s automatizací výroby. Produkty měly být vyráběny rychleji a levněji, aby si je mohli dopřát i lidé s nižšími příjmy. Mewa tuto myšlenku následovala a podporovala továrny svým inovativním systémem čisticích utěrek. S ním je i po 112 letech v celé Evropě důležitým partnerem podniků, které svou výrobu právě přizpůsobují průmyslu 4.0.

Kapalina jako tvářecí medium

V dnešní době je stále více kladen důraz na sofistikovanost i ekonomickou efektivnost výrobních procesů. Současně je žádána výroba stále složitějších tvarů, vyplývajících především z designových návrhů lisovaných součástí, které dříve nebyly řešitelné jako např. výroba negativních tvarů, složitě prostorově i tvarově orientovaných trubkových dílců apod. V tomto případě lze s výhodou, namísto pevných konvenčních nástrojů, využít výrobní metody zaměřené na nepevné nástroje, jako je např. kapalina.

Technologie přesného střihu

Výrobou přesných dílců technologií přesného střihu se zabývá zlínská společnost ANC Components. V současnosti disponuje zařízeními poskytujícími maximální lisovací sílu 4000 kN (? 400 t). Problematika přesného střihu se neustále rozvíjí. Proto v rámci čtyřletého dotovaného projektu Eureka společnosti ANC Components a Comtes FHT řeší zefektivnění a zproduktivnění výrobního procesu spojením zkušeností praxe a výzkumných prostředků. Řešení projektu bylo již dříve prezentováno ve vydání MM 10/2012 a dále v Hutnických listech č. 4/2013.

Směry rozvoje technologií tváření při výrobě karoserií

Stálé požadavky na snižování emisí oxidu uhličitého vyžadují soustavné snižování hmotnosti automobilu. U konvenčních pohonů automobilů lze jít jedině cestou lehčích karoserií. Lehké konstrukce vyžadují zachování crashových vlastností jako u ocelových karoserií.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit