VPLYV TEPLOTY A DOBY VÝDRŽE PRI ŽÍHANÍ Zn POVLAKU NA MIKROGEOMETRIU POVRCHU AHSS OCELÍ

Transcription

1 VPLYV TEPLOTY A DOBY VÝDRŽE PRI ŽÍHANÍ Zn POVLAKU NA MIKROGEOMETRIU POVRCHU AHSS OCELÍ Ing. Miroslav TOMÁŠ, PhD. Ing. Juraj HUDÁK, CSc. Ing. Dagmar DRAGANOVSKÁ, PhD. Technická univerzita v Košiciach Strojnícka fakulta Katedra technológií a materiálov Mäsiarska 74, Košice Miroslav.Tomas@tuke.sk Juraj.Hudak@tuke.sk Dagmar.Draganovska@tuke.sk Abstract Subject of presented contribution is surface microgeometry parameters evaluation of hot-dip galvanized steel sheets after its annealing in order to Fe-Zn coating creation. The samples were annealed at, and C for 10 and 60 seconds in argon shielding gas. Arithmetical mean deviation Ra, maximum high of profile Rz, mean width of the profile elements RSm, average number of peaks per unit length RPc and developed length of the profile RLo were evaluated as surface microgeometry parameters. Both side coated HSLA steel H220PD and TRIP steel RAK 40/70 were used as an experimental materials. Results of surface microgeometry parameters were reached by roughness measurement using surface profilometer Surftest SJ 301 Mitutoyo. Key words: surface microgeometry, Zn coating, galvannealing, roughness ÚVOD V dnešnej dobe sa pre výrobu karosérie automobilov využíva široké spektrum ocelí s rôznymi vlastnosťami, ktoré s ohľadom na technológiu ich spracovania tvárnením často kombinujú protichodné požiadavky: vysokú pevnosť a vysokú tvárniteľnosť. Trendom súčasnosti je znižovanie hmotnosti karosérie, spotreby, emisie škodlivých plynov a zvyšovanie bezpečnosti posádky pri havárii vozidla. V neposlednej miere jednou z požiadaviek na moderné automobily je päťročná záruka na dekoračnú, resp. desaťročná záruka na perforačnú koróziu [1]. Z uvedených dôvodov sa pre výrobu vnútorných a vonkajších dielov karosérie automobilov používajú rôzne druhy za studena valcovaných oceľových plechov, ktoré sa vyrábajú ako elektrolyticky alebo žiarovo pozinkované, prípadne žiarovo pokovené hliníkom [2]. Žiarovo pozinkované plechy sa vyrábajú s plošnou hmotnosťou Zn od 100 do g.m -2 obojstranne. Jedným z možných typov zinkových povlakov sú Fe-Zn povlaky. Tieto povlaky vykazujú lepšiu zvariteľnosť, lakovateľnosť, odolnosť voči korózii a materiálovú úsporu v porovnaní s čistými Zn povlakmi. Fe-Zn povlaky sa dosahujú žíhaním (galvannealing) po žiarovom pozinkovaní, po elektrolytickom pozinkovaní, alebo po pozinkovaní naparovaním v teplotnom rozpätí najčastejšie 440- C. [3] Žíhanie po pozinkovaní je proces, ktorým dochádza ku transformácii čistého Zn v povlaku na intermetalické zlúčeniny Fe-Zn prostredníctvom difúzie medzi Zn a oceľovým základom, ktorý je obvykle realizovaný v intervale teplôt až C. [3] Plechy používané v automobilovom priemysle pre karosárske aplikácie musia mať okrem požadovaných hlavných technologických kritérií ako sú tvárniteľnosť a dobrá zvariteľnosť aj vhodnú morfológiu povrchu, ktorá je z hľadiska vzhľadu a priľnavosti laku veľmi dôležitou charakteristikou. Trecie pomery pri lisovaní sú tiež ovplyvnené topografickými charakteristikami ako drsnosť, tvar a množstvo vrcholkov. Najmä na vonkajšie diely karosérie automobilov sú kladené veľmi úzke tolerancie parametrov mikrogeometrie povrchu s cieľom dosiahnutia rovnomerného reliéfu. Pri aplikácii žiarovo pozinkovaného plechu je požadovaný matný povrch plechu bez výrazného zinkového kvetu, drsnosť Ra 1,3 1,8 μm a počet vrcholkov Pc pri hladine ± 0,5 μm Ra. [1] Vzhľadom na špecifický charakter mikrogeometrie povrchov najvhodnejšie sa javí hodnotenie štruktúry povrchu profilovou metódou (R-profil drsnosti) pomocou dotykových profilometrov. Najrozšírenejším vyhodnocovaným parametrom drsnosti povrchu je stredná aritmetická odchýlka posudzovaného profilu Ra, ktorá však neumožňuje rozlíšenie ostrosti, resp. zaoblenosti výstupkov nerovností profilu, je výrazne skresľovaná trhlinami a inými náhodnými chybami povrchu a nezahŕňa v svojej hodnote členitosť povrchu. Preto pri kvalifikovanom hodnotení mikrogeometrie je nevyhnutné použiť vytypovaný súbor parametrov drsnosti z normy ISO 4287, ktorý dostatočne výstižne umožní zachytiť špecifiká posudzovaného povrchu. Najčastejšie sú to Rz vyjadrujúca najväčšiu výšku nerovností profilu a RSm (stredná šírka prvku profilu), ktorá čiastočne charakterizuje členitosť profilu. [4] Cieľom príspevku je posúdenie vplyvu teploty žíhania a doby výdrže pri príprave Fe-Zn povlaku žíhaním na parametre mikrogeometrie povrchu hodnotených žiarovo pozinkovaných oceľových plechov. 170

2 METODIKA EXPERIMENTOV Materiál Experimentálne práce boli realizované na oceľových plechoch: H mikrolegovaná oceľ H220PD, a 0 = 0,80 mm T oceľ TRIP, označ. RAK40/70, a 0 = 0,75 mm. Tab. 1 Chemické zloženie hodnotených ocelí [%] Prvok H - mikro T - TRIP C 0,004 0,204 Mn 0,415 1,683 Si 0,100 0,200 Al 0,035 1,730 P 0,042 0,018 S 0,004 0,003 Cr 0,031 0,055 Cu 0,011 0,028 Ni 0,017 0,018 Ti 0,037 0,009 Nb 0,026 0,004 Mo 0,005 0,008 Zr 0,001 0,007 Hodnotené oceľové plechy boli obojstranne žiarovo pozinkované, kde množstvo zinku preduje 100 g/m 2 (ozn. Z100MBO). Chemické zloženie materiálov je uvedené v Tab. 1. Príprava Fe-Zn vrstvy Transformácia Zn vrstvy žíhaním bola realizovaná v laboratórnych podmienkach na základe metodiky rozpracovanej a popísanej v [5,6]. Z uvedených plechov boli odobraté vzorky o rozmeroch 160x80 mm, ktoré boli označené H (mikrolegovaná oceľ H220PD), resp. T (TRIP oceľ RAK 40/70). Vzorky boli žíhané pri teplotách, a C s dobou výdrže 10 a 60 sekúnd. Teplotný interval sa pre zvolené teploty pohyboval v rozmedzí ±2 C. Nábeh teploty na povrchu vzorky bol pre zvolené teploty približne rovnaký a to intervale od 4 do 5 minút od vloženia vzorky do pece. V peci bol použitý prietokový systém plynu cez retortu, čím sa zabezpečilo omývanie Obr. 1 Uloženie vzorky v peci [3] vzoriek plynom. Pri všetkých procesoch tepelného spracovania bola použitá ochranná atmosféra tvorená argónom čistoty 99,999%. Po výdrži na teplote boli vzorky vybraté z pece a ochladzované na vzduchu. Pre experimenty bola použitá prietoková kantalová pec typu REH-B s kremennou retortou vnútorného priemeru Ø 90 mm. Schéma uloženia vzoriek v peci je uvedená na obr. 1. Mikrogeometria povrchu Mikrogeometria povrchu vzoriek bola hodnotená dotykovým profilomerom Surftest SJ- 301 fy Mitutoyo, ktorý pracuje na princípe snímania hodnoteného povrchu sondou ukončenou diamantovým hrotom s polomerom zaoblenia 5 μm. Sonda je umiestnená na odpruženom ramene. Surftest SJ 301 je schopný hodnotiť kvalitu povrchov parametrami podľa rôznych medzinárodných noriem: ISO 97, DIN 90, JIS 94, ANSI 95. Podmienky pri meraní: meraný profil - R; filter - GAUSS; medzná vlnová dĺžka filtra profilu (cut-off) - 0,8 mm; počet meraných úsekov - 5; rozlíšenie - 0,01 μm (10 bitov). Pri meraní boli vyhodnocované parametre mikrogeometrie povrchu v zmysle STN EN ISO 4287: Ra stredná aritmetická odchýlka; Rz najväčšia výška profilu; RSm stredná šírka prvkov profilu; a nenormalizované veličiny: RPc priemerný počet vrcholkov na jednotku dĺžky; RLo rozvinutá dĺžka profilu. Výsledky merania boli zobrazované digitálne a graficky na dotykovom paneli a na výstupe zabudovanej tlačiarne. Meranie drsnosti povrchu na východiskovom e povrchu a na povrchu vzoriek po žíhaní pri jednotlivých teplotách a dobách výdrže bolo realizované na 3 rôznych miestach skúšobnej vzorky v 2 smeroch: v pozdĺžnom smere (v smere dlhšieho rozmeru vzorky) a v priečnom smere (v smere kratšieho rozmeru vzorky). Celkovo bolo na 1 skúšobnej vzorke realizovaných 6 meraní. DOSIAHNUTÉ VÝSLEDKY A HODNOTENIE S ohľadom na veľký počet nameraných údajov boli najprv pre jednotlivé experimentálne vzorky porovnávané výsledky meraní parametrov mikrogeometrie povrchu v smere pozdĺžnom (3 merania) a v smere priečnom (3 merania), ktoré vykazovali veľmi malý rozptyl. Z tohto dôvodu boli pre jednotlivé teploty žíhania a doby výdrže spracované priemerné hodnoty parametrov mikrogeometrie povrchu. Výsledné priemerné hodnoty parametrov mikrogeometrie povrchu pre východiskový hodnotených materiálov a povrchu po žíhaní pri jednotlivých teplotách a časoch sú uvedené v tab. 2 pre materiál H220PD, resp. v tab. 3 pre materiál RAK40/70. Grafické zobrazenie zmien meraných parametrov mikrogeometrie povrchu je uvedené na obr. 2 až obr

3 Tab. 2 Priemerné hodnoty parametrov mikrogeometrie povrchu materiál H220PD Doba žíhania: Parameter drsnosti Ra [μm] 1,05 1,41 1,73 1,74 1,05 1,69 1,72 1,86 Rz [μm] 5,64 8,86 11,38 10,16 5,64 10,22 10,47 11,35 RSm [μm] RPc [-/cm] 78,1 100,5 95,7 81,7 78,1 107,6 91,0 71,8 RLo [mm] 0,807 0,824 0,830 0,823 0,807 0,832 0,826 0,822 Tab. 3 Priemerné hodnoty parametrov mikrogeometrie povrchu materiál RAK40/70 Doba žíhania: Parameter drsnosti Ra [μm] 1,34 1,04 1,22 2,38 1,34 0,90 1,22 2,37 Rz [μm] 6,76 6,04 8,36 15,04 6,76 5,93 8,04 15,16 RSm [μm] RPc [-/cm] 53,7 46,8 45,6 73,9 53,7 42,7 57,7 73,2 RLo [mm] 0,808 0,804 0,808 0,840 0,808 0,804 0,810 0,840 Ra [μm] Rz [μm] 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 C C C C C C Obr. 2 Zmena strednej aritmetickej odchýlky RSm(10%) [μm] Obr. 3 Zmena najväčšej výšky profilu RPc(10%) [-/cm] C C C C C C Obr. 4 Zmena strednej šírky prvkov profilu 10'' H220PD 10'' RAK40/70 60'' H220PD 60'' RAK40/70 Obr. 5 Zmena priemerného počtu vrcholkov na jednotku dĺžky 172

4 Obr. 6 Profil drsnosti základného u povrchu materiál H220PD Obr. 7 Profil drsnosti u povrchu po žíhaní pri C, doba výdrže 10 materiál H220PD Obr. 8 Profil drsnosti u povrchu po žíhaní pri C, doba výdrže 10 materiál H220PD Obr. 9 Profil drsnosti u povrchu po žíhaní pri C, doba výdrže 10 materiál H220PD Profily drsnosti povrchu a krivky nosného podielu profilu pre základný povrchu a povrchu po jednotlivých teplotách žíhania a dobu výdrže 10 pre materiál H220PD sú uvedené na obr. 6 až obr. 9, pre materiál RAK40/70 a dobu výdrže 60 sú uvedené na obr. 10 až obr. 13. Ako je zrejmé z Tab. 2 a obr. 2 až 5 pre materiál H220PD, vplyvom teploty žíhania pri obidvoch dobách výdrže 10 aj 60 dochádza k zvýšeniu strednej aritmetickej odchýlky Ra z 1,05 μm na 1,41 až 1,86 μm (34 77 %). Tento nárast je výraznejší u teplôt žíhania a C. Najväčšia výška profilu Rz sa zvýši z 5,64 μm na hodnoty 8,86 až 11,38 μm ( %). Tento nárast je vyšší taktiež pre teploty žíhania a C. Stredná šírka prvkov profilu RSm vykazuje pri nižších teplotách žíhania pokles oproti východiskovým hodnotám (zo 131μm na μm (29 13%)), pričom so zvyšovaním teploty sa stredná šírka prvkov profilu zväčšuje. Podstatne väčšie ovplyvnenie teplotou žíhania a dobou výdrže možno konštatovať u materiálu RAK40/70. Stredná aritmetická odchýlka Ra pri teplote C pri obidvoch dobách žíhania vykazuje nižšie hodnoty ako východiskový povrchu (zníženie z 1,34 μm na 1,04, resp. 0,90 μm (pokles o %)), pri teplote C však možno konštatovať takmer dvojnásobné zvýšenie drsnosti (z 1,34 μm na 2,38 μm nárast o 78 %). Najväčšia výška profilu Rz vykazuje pri obidvoch dobách výdrže oproti východiskovým hodnotám postupný nárast z 6,76 μm na 15,04 μm (zvýšenie o 122 %). Stredná šírka prvkov profilu RSm vykazuje opačnú tendenciu ako u oceli H220PD, s narastajúcou teplotou žíhania sa postupne zmenšuje. ZÁVER Meraním mikrogeometrie povrchu povlaku po tepelnom spracovaní (galvanealingu) bolo zistené: 1. Pre mikrolegovanú oceľ H220PD zmena teploty žíhania v rozpätí až C a doba žíhania 10 až 60 zvyšuje strednú aritmetickú odchýlku Ra oproti východiskovému u povrchu v priemere o 65 %. Najväčšia šírka profilu Rz sa oproti 173

5 tomu zvyšuje takmer dvojnásobne pri všetkých pozinkovaných oceľových plechoch. Acta Obr. 10 Profil drsnosti základného u povrchu materiál RAK40/70 Obr. 11 Profil drsnosti u povrchu po žíhaní pri C, doba výdrže 60 materiál RAK40/70 Obr. 12 Profil drsnosti u povrchu po žíhaní pri C, doba výdrže 60 materiál RAK40/70 Obr. 13 Profil drsnosti u povrchu po žíhaní pri C, doba výdrže 60 materiál RAK40/70 teplotách a dobách žíhania. 2. Pre TRIP oceľ RAK40/70 došlo pri teplote C pri obidvoch dobách žíhania k zníženiu východiskových parametrov drsnosti povrchu Ra a Rz oproti východiskovému u povrchu, pri teplote C však tieto parametre dosahujú dvojnásobné hodnoty. 3. U obidvoch hodnotených materiálov je možné konštatovať postupné zníženie relatívneho nosné podielu profilu so zvyšujúcou sa teplotou žíhania. Literatúra [1] Hrivňák, A. Evin, E.: Lisovateľnosť plechov. Košice : Elfa, s. : ISBN [2] Advanced High Strength Steel (AHSS) Application Guedelines. International Iron & Steel Institute, Committee on Automotive Applications, June 2009, Version 4.1 [3] Čajková, L. Džupon, M. Jakubéczyová, D.: Spôsob prípravy Fe-Zn povlakov na žiarovo Mechanica Slovaca, roč. 12, č. 4-B/2008, s , ISSN [4] Draganovská, D: Trendy v diagnostike. Strojárstvo. č. 9 (2009), s. 96/14. ISSN [5] Kollárová, M. - Džupon, M. - Leško, A. - Parilák, Ľ.: Formation of Outburst Structure in Hot Dip Galvannealed Coatings on IF Steels, METALURGIJA 46 (2007) 1, 9-14 p.9-14 [6] Džupon, M. - Buriková, K. - Parilák, Ľ.: Methodology of Preparation of Dual Phase Ferrite-Martensitic Steel Micro-Alloyed With V-Nb, Manufacturing engineering Issue 1, year VII, 2008, pp [7] Spišák, E. a kol.: Dizajn moderne koncipovaných ocelí na základe charakteristík lisovateľnosti. APVV Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV [7]. 174