Témata
Reklama

Nekonvenční zpracování nové generace vysokopevných výkovků

Vysokopevnostní zušlechtěné výkovky se strukturou popuštěného martenzitu v současné době představují high-end skupinu kovárenských produktů. Díky nejnovějším poznatkům z oblasti fyzikálně-metalurgických dějů probíhajících v materiálu výkovků by skupina vysokopevnostních výkovků mohla být doplněna novou generací výkovků, jejichž struktura je tvořena nekonvenčním CFB (Carbide-Free bainitem) a QP martenzitem.

Snižování výrobních nákladů, zlepšení ekologických aspektů výroby a vysoký stupeň bezpečnosti patří mezi základní ukazatele výroby kovárenských podniků. V současné době se výrobní postupy zpracování výkovků skládají z operací spojených s kováním a tepelným zpracováním. Právě tepelné zpracování výkovků, jakým je zejména normalizační žíhání nebo zušlechťování, představuje často finančně náročné operace, jimž je nutno výkovky podrobit, aby došlo ke zjemnění zrna a celkové homogenizaci struktury či zvýšení pevnostních vlastností, které výkovkům propůjčují kalené a popuštěné martenzitické struktury. Celkový čas tepelného zpracování výkovků v kovárnách se v závislosti na druhu materiálu, postupu zpracování, výši teploty a rozměrech výkovků pohybuje v řádu jednotek až desítek hodin.

Významným rysem použití zmíněných CFB-QP výkovků je jejich energetická nenáročnost, která společně s pevnostními a deformačními hodnotami srovnatelnými nebo převyšujícími standardní hodnoty mikrostruktur popuštěných martenzitů konvenčních druhů kovářských ocelí může přinést značnou úsporu výrobních nákladů vysokopevnostních výkovků.

Reklama
Reklama

Princip zpracování CFB-QP výkovků

Základní podstatou zpracování CFB-QP výkovků je využití některých vlastností rozpadu austenitu na strukturu bainitického typu při jeho podchlazení do oblasti nosu bainitické transformace. Při uvažování konvenčních druhů kovářských ocelí pro vysokopevnostní výkovky, jako je například ocel 42CrMoS4, dochází při transformaci austenitu na bainit k následující reakci:

austenit → bainitický ferit + cementit

Z hlediska termodynamického má uvedená soustava nulový počet stupňů volnosti a měla by tak být obdobou perlitické eutektoidní transformace austenitu, kterou doprovází silná exotermická reakce spojená s prodlevou na teplotě rozpadu austenitu na perlit. Na základě zmíněné výrazné podobnosti perlitické a bainitické reakce u konvenčních druhů ocelí lze předpokládat, že bainitická přeměna bude vykazovat rovněž exotermický charakter. V případě CFB-QP výkovků je situace rozpadu austenitu na bainit z termodynamického pohledu velice podobná, avšak liší se od výše uvedeného produkty rozpadu austenitu:

austenit → bainitický ferit + zbytkový austenit

Z toho je zřejmé, že rovněž CFB struktury by měly při svém vzniku vykazovat exotermické zabarvení doprovázené uvolňováním vnitřního tepla. Toto teplo by mohlo být následně efektivně využito pro samotné zpracování CFB-QP výkovků, čímž lze výraznou měrou redukovat výrobní časy a energetickou náročnost zpracování výkovků po kování. Velmi důležitým se rovněž stává vývoj struktury CFB-QP výkovků, která je tvořena převážně bainitickým feritem, QP martenzitem a zbytkovým austenitem, který na rozdíl od cementitu, resp. komplexních karbidů vznikajících u konvenčních druhů bainitu není zdrojem zhoršení plastických vlastností, a naopak přispívá ke zlepšení houževnatosti CFB výkovků v důsledku efektu TRIP.

Příklady tahových diagramů kritických bodů 1 až 3 CFB-QP výkovku po zpracování metodou postupového kalení s různými parametry zpracování.
Pro zvětšení klikněte na graf.

Porovnání konvenčního a CFB-QP výkovku

Na základě předpokladů a poznatků o průběhu fázové přeměny austenitu na bainit byly provedeny návrhy postupů tepelného zpracování vybraného výkovku. Výkovek je používán pro stavbu automobilů, kde plní funkci brzdového třmenu. Materiálem výkovku je standardní kovářská ocel 42CrMoS4. Výkovek je po postupových operacích zápustkového kování volně ochlazován na vzduchu na pokojovou teplotu a následně normalizačně žíhán po dobu několika hodin. Po normalizačním žíhání následuje kalení na pokojovou teplotu a popouštění na 300 ˚C po dobu dalších několika hodin (přesné časy nejsou uvedeny s ohledem na stále probíhající produkci v kovárnách). Výsledná mez pevnosti výkovku dosahuje hodnot 1 000–1 200 MPa, mez kluzu 750–1 000 MPa, při celkové tažnosti pohybující se v rozmezí 6–9 %.


Příklad mikrostruktury CFB-QP výkovku – postupově kaleno ve vodě, dochlazeno na vzduchu. Legenda: B – CF bainit, RA – zbytkový austenit, TM – popuštěný QP martenzit, MA – MA složka.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Při použití přístupu CFB-QP zpracování výkovků s využitím nekonvenční oceli G02-H0 se stejným obsahem legujících prvků jako v případě standardní oceli 42CrMoS4 a aditivním přídavkem levného křemíku se hodnoty meze pevnosti Rm v závislosti na postupu zpracování pohybují v rozmezí 1 290–1 570 MPa. Hodnoty meze kluzu Re pak v rozmezí 790–1 250 MPa. Hodnoty celkové tažnosti A20mm dosahovaly nejnižší hodnoty 9 %, resp. nejvyšší hodnoty 20 %. Z obecného pohledu je možno konstatovat, že uvedené hodnoty mechanických vlastností dosažených u CFB-QP výkovků z oceli G02-H0 mohou dosahovat hodnot srovnatelných se stavem výkovků z konvenční oceli 42CrMoS4 po normalizačním žíhání, kalení a popuštění. Výrazným benefitem CFB-QP výkovků postupově kalených z kovací teploty oproti konvenčním výkovkům by však mohlo být výrazné zkrácení výrobních časů a úspora výrobních a provozních nákladů.


Příklad průběhu teplotních křivek v kritických bodech 1 až 3 CFB-QP výkovku při zpracování metodou postupového kalení.
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Tento článek obsahuje výsledky vytvořené v rámci projektu TG02010011 Podpora komerčních příležitostí ZČU, dílčí projekt Nová generace ultra vysoce-pevných výkovků ze skupiny FF-AHSS. Projekt náleží do Programu GAMA a je podporován z účelových prostředků státního rozpočtu na výzkum a vývoj prostřednictvím Technologické agentury České republiky.

CFB-QP výkovek s vyznačenými kritickými technologickými body průřezu 1 až 3

Ivan Vorel, Štěpán Jeníček, Hana Jirková

Západočeská univerzita v Plzni, Regionální technologický institut

frost@rti.zcu.cz

rti.zcu.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 180122
Datum: 07. 02. 2018
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?

Ocel splňující potřeby výrobního procesu

Rodina produktů Ruukki Laser zahrnuje konstrukční oceli s mezí kluzu v rozmezí 200 - 420 MPa. Oceli Laser mají skvělé inženýrské vlastnosti a jsou ideální pro široké spektrum aplikací.

Trendy ve výrobě plochých polotovarů tvářených za tepla

Využití plechových dílů tvářených za tepla patří dnes již běžně k produkci karoserií osobních automobilů a od jejich prvního nasazení nás dělí bezmála dvacet let. Tento trvalý trend souvisí s požadavkem na maximální zužitkování pohonných hmot a s tím spojené i redukce samotné hmotnosti karoserie. Dalším aspektem jsou limity snižující objemy škodlivých exhalací při spalování paliva, které nutí dlouhodobě producenty osobních i užitkových vozidel hledat alternativní konstrukční řešení. Emisní limity nastavené Evropskou unií, platné od roku 2020, stanovují průměrnou emisi všech modelů v nabídce na 95 g CO2.km-1. To odpovídá spotřebě 3,54 litru nafty či 4,06 litru benzinu na sto kilometrů.

Související články
Aditivní výroba ve tváření plechů

Trojrozměrný (3D) tisk, označovaný také jako aditivní výroba (additive manufacturing - AM), zaznamenal v poslední době značný rozvoj. Touto technologií je umožněna výroba i velmi tvarově komplikovaných trojrozměrných produktů. Objekty nebo výrobky jsou vytvářeny z podkladu digitálních 3D modelů nebo jiných elektronických datových zdrojů. Aplikační možnosti 3D tisku se s ohledem na progresivní vývoj této technologie jeví jako neomezené.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Lehké konstrukce automobilů – využití hořčíku

Využití hořčíku a jeho slitin v automobilovém průmyslu má poměrně dlouhou tradici, sahající až do roku 1920, kdy byl tento materiál prvně použit v konstrukci sportovních vozů. O několik desetiletí později se objevil i v komerčních vozech, například u typu Volkswagen Beetle, kde jeho obsah činil téměř 20 kilogramů. Nicméně do popředí zájmu se tento specifický materiál dostává v posledních letech v souvislosti s nárůstem ekologických a legislativních požadavků na provoz vozidel.

Lehké konstrukce automobilů - použití lisů ve výrobě hybridních dílů

V předchozích článcích ze seriálu Lehké konstrukce automobilů o možném použití nových materiálů pro stavbu lehkých konstrukcí a jejich aplikacích na karoseriích osobních automobilů nebyly zpravidla detailně rozebrány možnosti výroby těchto specifických materiálů. Uvedeme je v tomto článku.

Lehké konstrukce automobilů - sendvičové materiály

O prodejnosti a úspěšnosti vozidla v silném konkurenčním prostředí dnes rozhoduje z velké míry tvar a funkčnost karoserie. Mezi technickým vybavením jednotlivých výrobců dnes není propastný rozdíl a proto první, čím automobil promlouvá k zákazníkovi, jsou právě silueta vozu, linie hran, elegance i vizuální dynamika. Na karoserii jsou proto kladeny náročné požadavky v řadě případů z hlediska technologie výroby protichůdné.

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 osobních automobilu - použití hliníku

Kontinuální trend v oblasti snižování hmotností karoserií osobních vozů je důsledkem tlaku na eliminaci CO2 do roku 2020 až na 95 g.km-1. Konstrukční úpravy v oblasti hnacích agregátů nebo náprav vozů jsou do určité míry také možné, nicméně stále častěji obtížně realizovatelné. Již od 80. a 90. let se v konstrukci vozu využíval hliník a plastové hmoty, nicméně dominantním materiálem je i nadále ocel.

Lehké konstrukce karoserií osobních automobilů

Rostoucí požadavky na snižování spotřeby pohonných hmot a emisní limity vytvářejí soustavný tlak na snižování hmotnosti karoserií. Druhou alternativou, která se nadále rozvíjí, je rozšířené nasazení alternativních hybridních pohonů automobilů, zejména kombinace spalovacích motorů s elektropohony. Nedodržení emisních limitů osobních automobilů 95 g/100 km by mělo být od roku 2020 navíc finančně postihováno. Jak ukazují aktuální problémy koncernů Volkswagen Group a Citroen, je tato problematika rozšířena ještě o NOx. Je však zřejmé, že se to týká prakticky všech výrobců osobních i nákladních vozů. Tato problematika je zásadní s ohledem na vyráběné množství. V konstrukci letadel, raket a vesmírné techniky je řada nových výrobních technologií již delší dobu používána. Je to nejenom otázka vhodných materiálů, jejich dostupnosti a možností použitých výrobních technologií. V souvislosti s lehkými konstrukcemi všechny tyto oblasti stojí před dlouhodobým a zásadním rozvojem.

Termomechanické zpracování

Globální svět s možností volného cestování a neomezeného přístupu k informacím s sebou přináší riziko chybných nebo nepřesných překladů odborných pojmů z jiných jazyků. Ve své praxi vysokoškolského lektora s předchozí zkušeností technologa se setkávám zejména v posledních letech se značným rozvolňováním odborných pojmů, které mohou vést až k matení odborné veřejnosti. V tomto příspěvku se pokusím stručně shrnout přehled a podstatu technologických postupů, označovaných v češtině pojmem termomechanické zpracování (TMZ, resp. TMP, z anglického thermomechanical processing, což odpovídá též pojmu thermo-mechanical treatment – TMT).

Tváření titanových trubek vnitřním přetlakem za tepla

Titan jako konstrukční materiál sice nabízí skvělé vlastnosti, je však drahý a jeho zpracování tvářením je technologicky a časově náročné, a nákladné. Novou ekonomickou technologii tváření titanových trubek pro automobilové výfukové systémy představil společný výzkumu dvou Fraunhoferových ústavů na říjnovém veletrhu EuroBLECH 2012 v Hannoveru.

Vývoj v oblasti 3D tisku z kovu pokračuje

Již téměř před rokem představila společnost Kovosvit MAS v rámci tradičních zákaznických dnů stroj WeldPrint5X. Na zářijovém strojírenském veletrhu v Brně byla novinka, která kombinuje plnohodnotnou generickou technologii (navařování kovu) a plnohodnotnou subtraktivní technologii pomocí frézování až v pěti osách, oceněna Zlatou medailí. „Ocenění ještě zvýšilo motivaci celého týmu, který na vývoji technologie pracuje,“ říká Petr Heinrich, technický ředitel Kovosvitu MAS. A prozradil, že firma chystá další novinky v oblasti 3D tisku z kovu.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

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