(-+)
6. Stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno
karoseria samochodu jako przykład złożonej i odpornej na obciążenia konstrukcji
wykonanej z elementów kształtowanych obróbką plastyczną na zimno,
- stale (blachy i taśmy) o grubości do 1,5 mm,
które muszą być podatne do głębokiego tłoczenia,
- dynamiczny rozwój nowych generacji stali o
podwyższonej (HSS) i wysokiej (AHSS) wytrzymałości,
- na grubsze elementy (do 3 mm) nadal typowe
stale konstrukcyjne (S& NC oraz S& MC),
- rozkład obciążeń przy uderzeniu z przodu
obciążenie
(http://imgauto.21cn.com)
(-)
- rozkład obciążeń przy uderzeniu z boku
obciążenie
- rozkład obciążeń przy
uderzeniu z tyłu
obciążenie
(http://imgauto.21cn.com)
(-)
" reklama nowej bezpiecznej karoserii Passata 2006
"
"
"
- badany fragment  nowoczesna technologia łączenia (spawanie laserowe) w technologii  tailored blanks
ale stale nadal tradycyjne, konstrukcyjne do kształtowania na zimno (S& NC) o grubościach 1,5 oraz 2,5 mm
(gruba i ciężka blacha 2,5 mm o strukturze ferrytyczno-perlitycznej i R0.2 ok. 275�
�355 MPa),
�
�
(http://www.turbopower.ws)
(-)
Mercedes, klasa C
" wskazane (k. czerwony) elementy nośne karoserii,
dopiero w modelu 2008 będą wykonane ze stali
nowej generacji o wysokiej wytrzymałości (AHSS)
(http://www.turbopower.ws)
(+)
6. Stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno
- ograniczymy się do stali na wyroby płaskie, uzyskiwane z taśm lub blachy o grubości 0,14� mm,
�1,5
�
�
- szerzej omówimy stale stosowane na elementy pojazdów samochodowych,
wymagania (dla taśm i blach < 1,5 mm do kształtowania na zimno):
<
<
<
- wysoka jakość powierzchni i wąskie tolerancje wymiarowe (pewność kształtowania oraz lakierowania),
- możliwe tylko, gdy końcowe etapy wytwarzania obróbką plastyczną na zimno + rekrystalizacja,
- dobra podatność do kształtowania dalszą obróbką plastyczną na zimno (głębokotłoczność)
- łatwo spawalne i zgrzewalne (podstawowy sposób łączenia),
- tanie wytwarzanie wyrobów o złożonych kształtach (bez pęknięć, przewężeń, pofalowania),
podział na dwie podstawowe grupy:
- stale miękkie (ferrytyczne)
- stale miękkie (ferrytyczne)
- głównym wymaganiem jest podatność do kształtowanie na zimno,
- niska granica plastyczności (R0,2) w celu ułatwienia formowania
(tolerowane wartości maksymalne �! R0,2 < 270 MPa),
�! <
�! <
�! <
- stałe zmniejszanie zawartości C (przez ostatnie 50 lat)  ostatnio często poniżej 0,05%,
- całkowite lub kontrolowane związanie zawartości C oraz N (ograniczenie umocnienia roztw.),
- w roztworze pogarszają głębokotłoczność,
- tworząc atmosfery Cottrella wywołują fizyczną Re (starzenie groz
ne dla tłoczenia),
- stale o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości
- głównym wymaganiem jest wytrzymałość przy zachowaniu odpowiedniej podatności na kształtowanie
(tolerowane R0,2 lub Rm minimalne),
- coraz większe znaczenie i rozwój wymuszany przez przemysł samochodowy (ciężar !),
- osiągane są wartości Rm do 1000 (1200) MPa, a planowane są nawet powyżej 1600 MPa,
(-+)
schemat wytwarzania taśmy stalowej walcowanej na zimno i wyżarzanej rekrystalizująco,
(metoda tradycyjna z grubych wlewków)
do 22 kg H2SO4 /t stali
lub do 7 kg HCl /t
grubość wlewka
ok. 500mm
100�
�250 mm
�
�
grubość taśmy
ok. 1,5%
do 1,5 (3) mm
(M. Blicharski)
(rep -+)
Rozwój metod produkcji stali walcowanych na gorąco w postaci taśm
- ciągłe odlewanie coraz cieńszych wlewków,
- skracanie łańcucha procesów technologicznych,
podgrzewanie
ciągłe odlewanie wlewka płaskiego
(w fazie opracowywania)
ciągłe odlewanie taśm (strip)
www.stahl-online.de/medien_lounge/Vortraege/Singapore.pdf (2007)
Schemat zintegrowanej linii ciągłego odlewania oraz walcowania na gorąco taśm
- proces Arvedi ESP (Endless Strip Production), w kooperacji z Siemens AG, start w 2008, 2mln ton/rok,
- wlewek o grubości 40�
�60 mm, linia produkcyjna o długości 190 m, czas przejścia 7 minut,
�
�
(rep -+)
�!
�!
�!
�!
�!
�!
�!
�!
(www.industry.siemens.com/metals/en/news/newsletter/mmz_01_2006/pdf/MetalsMining_1.06_20.pdf)
(-+)
obecnie trwają prace nad wdrożeniem metod odlewania ciągłego cienkich wlewków (1� mm),
�3
�
�
- wytwarzanie cienkiej taśmy bezpośrednio z cieczy odlewanej między dwa obracające się walce,
- eliminacja większości stopni tradycyjnego procesu produkcyjnego,
- pozostaje jedynie walcowanie na zimno i operacje wykończeniowe,
- duża szybkość krzepnięcia �! bardzo mała segregacja składu �! zanieczyszczeń może być więcej,
�! �!
�! �!
�! �!
- oszczędność energii oraz kosztów inwestycyjnych, zmniejszenie emisji szkodliwych substancji,
" poglądowy schemat zmian temperatury podczas wytwarzania taśmy walcowanej na zimno
"
"
"
i wyżarzanej rekrystalizująco.
(M. Blicharski)
 dwa parametry określające zdolność blachy do kształtowania przez odkształcenie plastyczne na zimno:
(oba wyznaczane dotychczas na podstawie zwykłej próby rozciągania)
(+-)
a) wykładnik (współczynnik) umocnienia odkształceniowego n
- wykładnik potęgowy w równaniu opisującym zależność między naprężeniem rzeczywistym � a odkształceniem
�
�
�
rzeczywistym � w zakresie odkształcenia jednorodnego (równomiernego),
�
�
�
n - zwykle liczbowo równy wartości odkształcenia równomiernego w próbie rozciągania,
� = k�n
� �
� �
� �
- dla stali ferrytycznej o małej zawartości C wynosi ok. 0,20,
- rośnie ze zwiększeniem czystości stali i wielkością ziarna,
gdzie k  stała,
- wszystkie mechanizmy umocnienia zmniejszają n,
- największe n ma stal o małej wytrzymałości �! opracowanie nowych stali miękkich
�!
�!
�!
(M. Blicharski)
- stale o podwyższonej wytrzymałości mogą być stosowane na elementy o niezbyt rozwiniętych kształtach,
im większa wytrzymałość tym mniejszy zakres odkształcenia równomiernego umożliwiającego formowanie,
(-+)
b) współczynnik anizotropii,
- anizotropia wynika z tekstury krystalograficznej, która wpływa na rozkład odkształceń i płynięcie
plastyczne podczas kształtowania wyrobów,
- współczynnik anizotropii normalnej r :
r �! stosunek odkształcenia rzeczywistego szerokości do odkształcenia rzeczywistego
�!
�!
�!
grubości rozciąganej próbki z blachy,
rS = ź(r0 + 2r45 + r90)  średni współczynnik anizotropii normalnej (do kierunku walcowania),
- duży współczynnik r �! dobra głębokotłoczność, niewielkie pocienienie przy kształtowaniu,
�!
�!
�!
Ucha tworzące się podczas tłoczenia
jako wynik anizotropii płaskiej ("
"r)
"
"
"r = � (r0 + r45 + r90)
"
"
"
- dla materiału izotropowego: r = 1 , "
"r = 0
"
"
(M. Blicharski)
(+-)
Stale na wyroby płaskie do kształtowania na zimno
R0,2 < 210 MPa
<
<
<
stale miękkie
Rm < 270 MPa
<
<
<
wolne od atomów
uspokajane Al
międzywęzłowych
 Mild Steels
 IF Steels
PN-EN 10130
( Interstitial Free Steels )
(stale głębokotłoczne)
(supergłębokotłoczne)
DC01 (0,12% C)
DC03 (0,10% C)
DC03 (0,10% C)
0,003% C
nowoczesne stale IF �!
�!
�!
�!
DC04 (0,08% C)
0,003% N
(nie ujęte jeszcze w normach
ale już produkowane)
DC05 (0,06% C)
0,010% Ti
(odtleniane próżniowo)
0,020% Nb
DC06 (0,02% C + 0,3% Ti, Nb)
0,03% Al
DC07 (0,0?% C + 0,3% Ti, Nb)
0,003% B
PN-EN 10268:2006
HC180Y
(stale te można klasyfikować jako  miękkie chociaż
HC220Y
należą do grupy stali o podwyższonej wytrzymałości
PN-EN 10268, w której tolerowane jest R0,2 minimalne)
HC260Y
(max 0,01% C)
bokotłoczno
ść
gł
ę
bokotłoczno
ść
 stale o podwyższonej wytrzymałości (HSS oraz AHSS) do kształtowania na zimno,
(+-)
EN HCT690�
�780T (TRIP)
�
�
Twinning Induced Plasticity Steels
TWIP
EN HCT600�
�980C (CP)
�
�
austenityczne umacniane bliz
niakowaniem
EN HDT1200M (MS)
(niskowęglowy martenzyt) Transformation Induce Plasticity Steels
stale wielofazowe Complex Phase Steels
TRIP CP PM
Partially Martensitic Steels
?
stale o izotropowej plastyczności
(EN HC 220�
�300I)
� �!Ti)
�
�!
�!
IS (specjalnie rozdrobnione ziarna �!
stale bez atomów międzywęzłowych (C, N) Interstitial
IF-HS (EN HC180� (umacniane roztworowo �! P, B) Free Steels
�260Y) �!
� �!
� �!
stale umacniane podczas utwardzania lakieru
stale umacniane podczas utwardzania lakieru
BH (EN HC180� �!
�300B) (w temperaturze ok. 170�C �! atmosfery Cottrella)
� �!
� �!
martenzyt w osnowie ferrytycznej
(EN HCT450�
�980X)
�
�
DP
stale umacniane roztworowo �! P a także Mn, Si
�!
�!
�!
(EN HC180�
�300P)
�
�
stale mikrostopowe
(EN HC260�
�420LA)
� umacniane wydzieleniowo �! związki Ti, Nb, V
� �!
�!
�!
(HSLA)
5
Rozwój stali o wysokiej wytrzymałości (HSS oraz AHSS) do kształtowania na zimno.
(+-)
stale miękkie stale o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości
(S. Keeler, American Iron and Steel Institute)
TWIP
Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa]
(w stalach wysokowytrzymałych
(w stalach miękkich istotna jest max R0,2 )
bardziej istotna jest min Rm )
zalecane jest podawanie obu parametrów (R0,2 / Rm ), np. HSLA 350/450,
wskazuje to jednocześnie zakres umocnienia odkształceniowego w trakcie rozciągania,
(www.autosteel.org)
wydłu
wydłu
ż
enie A [ % ]
(+-)
http://files.aws.org/wj/2006/08/wj0806-31.pdf
- ReL
WELDING JOURNAL, AUGUST 2006,
(+)
Stale o podwyższonej wytrzymałości (HSS) do kształtowania na zimno
EN 10268:2006
EN 10268
umacniane roztworowo
głównie P a także Si, Mn mikrostopowe
EN 10268:2006
izotropowe
(umac. wydziel.)
HC180P
 IS
 HSLA
HC300P
umacniane podczas
HC220I
HC260LA
wolne od atomów
(d"0,05�0,1% C)
utwardzania lakieru
międzywęzłowych
HC300I HC420LA
(d"0,08�0,12%P)
 efekt BH
 IF-HS
(d"0,07�0,08% C)
(d"0,1% C)
HC180B
HC180Y
(d"0,05�0,08%P)
HC300B
HC260Y
(d"0,05�0,1% C)
(d"0,003�0,01% C)
(d"0,003�0,01% C)
(d"0,06�0,12%P)
(d"0,06�0,12%P)
(d"0,06�0,10%P)
konstrukcyjne
niskostopowe
EN 10336: 2007
EN 10149
ferrytyczno-bainityczne
(umacniane wydzieleniowo)
walcowane normalizująco
walcowane cieplno-plastycznie
HDT450F
S260NC
S315MC
HDT560F
ferryt + perlit
}
S420NC
S500MC
(<0,18% C)
(d"0,16�0,2% C)
S600MC
bainit (Mo + B)
}
S700MC
stale walcowane na zimno + rekrystalizacja
(d"0,12% C)
stale walcowane tylko na gorąco
(-+)
Stale HSS umacniane roztworowo P oraz Si i Mn
Stale umacniane podczas utwardzania lakieru (efekt BH) w temp. ok. 170 �C
Stale umacniane podczas utwardzania lakieru (efekt BH) w temp. ok. 170 �C
 stale umacniane podczas utwardzania lakieru (BH   bake-hardening steels )
(+-)
- stale typu BH:
- od HC180B do HC300B
(EN 10268:2006)
(umocnienie podczas
utwardzania lakieru)
- inne stale z ferrytem w strukturze:
(umocnienie
odkształceniowe) - stale DP
- stale TRIP
(EN 10336:2007)
- stale CP
- stale MS
(IISI, www.worldautosteel.org)
starzenie 170�C/20 min
HCT600X
HCT600T
HC340LA
HC340X
(E. Lamm, USINOR)
(-+)
Stale wolne od atomów międzywęzłowych i podwyższonej wytrzymałości (HSS)
Stale HSS o własnościach izotropowych
(-+)
Stale HSLA  umacniane wydzieleniowo, niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości
Stopień wykorzystania stali HSS w konstrukcji samochodów osobowych w latach 1995-2015
(+)
Stale o wysokiej wytrzymałości (AHSS) do kształtowania na zimno
EN 10336: 2007
EN 10336: 2007
stale wielofazowe
stale dwufazowe
 CP, PM, TRIP
 DP  dual phase
(ferryt + martenzyt)
stale M (MS, Mart)
martenzytyczne
HCT450X
(martenzyt niskowęglowy, niskostopowy)
HCT980X
HDT1200M
oraz
EN 10336: 2007
HDT580X
HDT580X
oraz wiele nie ujętych normami,
oraz wiele nie ujętych normami,
np: CR MartiNsite M220
Rm
stale CP stale TRIP
stale PM
(complex phase) (TRansformation Induced Plasticity)
(partially martensitic)
(ferryt + bainit +martenzyt +
(ferryt + powyżej 20% martenzytu,
(ferryt + bainit +martenzyt)
+ austenit)
bainitu, austenitu szczątkowego)
HDT750C
HCT690T
HDT780C
wal. na gorąco
HCT780T
HDT950C
HCT600C
HCT780C
wal. na zimno
HCT980C
" sposoby chłodzenia stali AHSS pierwszej generacji  metody wytwarzania(+)
"
"
"
(American Iron and Steel Institute, 2005 - www.steel.org)
(+-)
" umocnienie strukturą w stalach wielofazowych
"
"
"
(ThyssenKrupp Stahl AG  2002)
(-+)
" mikrostruktura wybranych stali wielofazowych w porównaniu ze stalami
miękkimi oraz stalami HSS (na przykładzie stali HSLA)
http://www.metal.citic.com/cd/2005-HSLA-NB/HSLA-013.pdf
W.BLECK, K.PHIU-ON, Aachen University