Štatistická analýza kvality Fe-Zn povlakovaných plechov

Medzi povlakovanými oceľovými plechmi majú vzhľadom na pomer medzi kvalitou (plnením požiadaviek zákazníkov) a cenou svoje nezastupiteľné miesto pozinkované plechy. Na rozdiel od bežných ocelí má vývoj pozinkovaných plechov pre automobilový priemysel svoje špecifiká. Je potrebne splniť požiadavky nie len na mechanické vlastnosti, ale zabezpečiť aj bezchybný povrch zinkového povlaku i jeho priľnavosť k základnému materiálu. Zákazníci požadujú veľmi úzke tolerancie parametrov mikrogeometrie drsnosti Ra [µm] (drsnosť), Pc [cm^-1] (počet vrcholkov) pozinkovaných plechov určených pre povrchové diely, aby  sa dosiahol požadovaný vzhľad povrchových dielov karosérie po lisovaní a následne po lakovaní [1].

Zdrsňovania povrchu

Náročné požiadavky zákazníkov je možné splniť aplikáciou sofistikovaných technológií výroby pozinkovaných plechov pre povrchové diely karosérie. Prechádza sa od zdrsňovania povrchu pracovných valcov mechanickým otryskávaním jemnozrnným granulátom (SBT) k zdrsňovaniu pracovných valcov vyiskrovaním (EDT), laserovým lúčom (LBT), elektrónovým lúčom (EBT) a elektrolytickým  chrómovaním (Pretex) [2, 3].  Pri aplikácii EDT je dobrá reprodukovateľnosť výsledkov (prenos parametrov mikrogeometrie povrchu valcov na povrch plechu). Pri rovnakom úbere valcovacej stolice so zväčšovaním Ra povrchu valca, bude väčšia aj Ra na povrchu plechu ale menší počet vrcholčekov [1].  Z tab. 1 je vidieť, že požiadavky zákazníkov na parametre drsnosti Ra a Pc sa rôznia [1]. 

Metodika experimentálneho výskumu

Pre experimentálny výskum boli použité extra hlbokoťažné pozinkované plechy z IF ocele  (Interstitial-free steel podľa EN 10327). Žíhaním po pozinkovaní plechov z IF ocele (GA1) boli získané plechy z Fe-Zn povlaky typu „galvanneal" s rôznym stupňom legovania povlaku (nedolegovaný-GA1, optimálne legovaný - GA2 a prelegovaný - GA3). Pri žíhaní po pozinkovaní dochádza k zmene parametrov Ra a Pc. Plnenie špecifických požiadaviek zákazníkov bolo posudzované z hľadiska zmeny parametrov Ra a Pc  a priľnavosti laku. Priľnavosť Fe-Zn povlaku závisí od  % obsahu Fe v povlaku [3]. Obsah Fe v povlaku v skúmaných materiáloch bol stanovený titračnou metódou a fázové zloženie povlakov bolo stanovené rastrovacou elektrónovou mikroskopiou (REM) s EDX analyzátorom. Jednotlivé fázy boli identifikované na základe percentuálneho obsahu Fe a Zn, ktoré je dané stechiometrickým zložením fázy (viď tab. 2) [3].

Parametre mikrogeometrie (stredná aritmetická odchýlka profilu Ra [µm] a počet vrcholkov Pc [cm^-1]) povrchu plechov boli zisťované na zariadení Hommel Tester 1 000 v smere 90 vzhľadom k smeru valcovania.  Štatistické metódy sa stávajú bežným nástrojom pri riadení kvality výroby. Štatistické metódy poskytuje racionálne vstupné a výstupné údaje potrebné pre rozhodovanie [5]. Výsledky regresnej analýzy nameraných hodnôt parametrov mikrogeometrie Ra a Pc skúmaných materiálov sú uvedené v tab. 3.

Dosiahnuté výsledky a ich diskusia

Z tab. 3 je vidieť, že aplikované režimy žíhania po pozinkovaní viedli k poklesu parametrov drsnosti Ra a Pc. Ako príklad aplikácie metódy Six Sigma sa uvádza postup pri posudzovaní spôsobilosti procesu výroby Fe-Zn povlakovaných plechov z hľadiska požiadaviek spoločností Škoda Auto a Renault na parametre drsnosti Ra a Pc (tab. 3). V prípade parametra Ra je zákazníkmi špecifikovaná dolná a horná limitná hodnota parametra Ra, potom index spôsobilosti sa vypočíta:

a v prípade Pc je zákazníkmi špecifikovaná len dolná limitná hodnota, index spôsobilosti sa vypočíta:    

kde μ je stredná hodnota parametra dosahovaná výrobcom plechov, T - stredná hodnota požadovaná zákazníkom, USL - upper specification limit, LSL - lower  specification limit,       σ - smerodajná odchýlka.

Indexy spôsobilosti procesov sú pre dvojstrannú a jednostrannú špecifikáciu uvedené v tab. 4. Z porovnania hodnôt Cpk pre Ra a Pc podľa požiadaviek spoločnosti Škoda Auto vyplýva, že v prípade materiálu  GA1, ktorý sa štandardne vyrába sú indexy Cpk_Ra = 1,85 a Cpk_Pc = 3,03 väčšie ako 1,33 resp. 1,25. To znamená, že počet nezhodných výrobkov z milióna kusov by sa mal pohybovať okolo 1. V prípade materiálu GA2 ide o nový výrobok. Hodnoty indexov spoľahlivosti procesu jeho výroby boli 1,32 resp. 1,4. To znamená, že počet nezhodných výrobkov by sa mohol pohybovať na úrovni cca 60-70. V prípade prelegovaného materiálu GA3, hodnoty indexov boli Cpk_Ra = 0,64 a Cpk_Pc = 1,76, čo znamená, že proces z hľadiska požiadaviek spoločnosti Škoda Auto na parametre Ra a Pc by bol nespoľahlivý. Požadovanú úroveň parametrov by bolo možné dosiahnuť zväčšením úberu, alebo zväčšením drsnosti pracovných valcov. Požiadavky spoločnosti Renault na parametre drsnosti Ra a Pc by bolo možné vyhovieť zmenšením úberu alebo strednej aritmetickej Ra pracovných valcov.

Z prác [3, 4] vyplýva, že priľnavosť povlaku k základnému materiálu závisí od % obsahu Fe v povlaku. Optimálne legované Fe-Zn povlaky obsahujú od 8 do 14 % Fe. Na základe stupňa exponovateľnosti dielov karosérie je možné na stupnici 1 až 5 bodov tento rozsah jemnejšie rozdeliť. Napríklad, optimálne legované povlaky s obsahom  s obsahom 8 až 11 % Fe, pretože majú veľmi dobrú priľnavosť k základnému materiálu 4 bodmi. Povlaky s obsahom 11 až 14 % Fe majú dobrú priľnavosť k základnému materiálu - 3 bodmi a povlaky s obsahom s väčším % Fe ako 14 % majú slabšiu priľnavosť k základnému materiálu - 2 body.

Odolnosť povlaku voči oteru bola kvantifikovaná na základe mikrotvrdosti povrchových fáz (h = 52-72 a d = 240-300) povlaku. η  fáza je v podstate  čistý Zn, ktorý sa oterom (vznik mikro návarov povlaku za studena) veľmi rýchlo prenáša na kontaktné plochy pridržiavača a na ťažnú hranu (nízka oteru vzdornosť - 2 body). Oter bol v menšej miere pozorovaný pri povlakoch materiálov GA2 a GA3, ktorých povlaky sú tvorené d fázou (FeZn10, resp. FeZn7) s mikrotvrdosťou cca 300 HV (veľmi dobrá oteru vzdornosť - 4 body) [3, 4].

Pozinkované plechy s povlakom Fe-Zn typu „galvanneal" predstavuje po viacerých stránkach progresívny materiál. Efektívne využitie jeho jedinečných vlastností si vyžaduje optimalizovať jeho voľbu z hľadiska požiadaviek na konkrétny diel karosérie. Na základe ohodnotenia plnenia jednotlivých požiadaviek je možné napísať nasledujúcu účelovú funkciu:                                                              

kde 

vyjadruje úžitkové vlastnosti analyzovaného dielu karosérie,  H_ij je hodnota i-tého parametra (i = 1 - priľnavosť povlaku k základnému materiálu, i = 2 - odolnosť voči oteru na základe mikrotvrdosti povlaku HV, i = 3 - vzhľad laku na základe Cpk_Ra, i = 4 - vzhľad laku na základe Cpk_Pc,) j-tého analyzovaného materiálu, H_ie - hodnota i-tého parametra etalónového materiálu (GA1), q_j - váha významnosti j-tého analyzovaného materiálu. 

Závery

Pozinkované plechy s Fe-Zn povlakmi typu „galvanneal" predstavuje po viacerých stránkach progresívny materiál, pre čo najlepšie využitie jeho vlastností, je ešte potrebné postupy valcovania a lisovania optimalizovať. Na základe získaných výsledkov bola popísaná účelová funkcia, pomocou ktorej by bolo možné optimalizovať proces výroby pozinkovaných plechov tak, aby boli splnené aj najnáročnejšie požiadavky zákazníkov na parametre drsnosti Ra a Pc, oteru, priľnavosti,  súčiniteľa trenia a pod..

Zvláštni poďakúvaní za finančnú podporu projektov patrí Vedeckej grantovej agentúre Slovenskej republiky VEGA 10890/09 a projektu „Centrum výskumu riadenia technických, environmentálnych a humánnych rizík pre trvalý rozvoj produkcie a výrobkov v strojárstve" ITMS:26220120060.

Použitá literatúra:

• [1] KUNDRACIK, V. Mikrogeometria povrchu pásu na povrchové diely automobilov. In: Pozinkovaný materiál pre automobilový priemysel. Zborník prednášok z 66. pracovného seminára Spoločnosti OCELOVÉ PÁSY, Jahodná, 2009.
• [2] KUZMAN, K. et al. Enviromental friendly lubricants in deep drawing of steel sheets metal. Report Enform project, Cejle, 2000.
• [3] EVIN, E. a kol.: Vplyv fázového zloženia povlakov Fe-Zn na charakteristiky trenia pri lisovaní, Metal 2008, Ostrava: Tanger, 2008. ISBN 9788025419878.
• [4] LINDSEY, J. H., Paluch, R. F., Nine, H. D. The interaction between electrogalvanized zinc deposit structure and the forming properties of sheet steel. Plating and Surface Finishing, 76, s. 62-69, 1989.
• [5] SEMIATIN, S. L. et al. Metals Handbook. Forming and Forging. Vol. 14. ASM International, 1993.

Ing. Jozef Výboch

Ing. Marek Výrostek, IWE.

Prof. Ing. Evin Emil, CSc.

TU SjF KTaM

emil.evin@tuke.sk

Tabulky a grafy naleznete v tištěné verzi časopisu MM Průmyslové spektrum.

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit v digitální trafice PUBLERO.