Formning efter värmebehandling

Transkript

1 Delrapport 15 Formning efter värmebehandling Håkan Thoors, IM Thomas Skåre, IUC ACCRA Teknik AB AK-Konsult Amada/Promecam AB AvestaPolarit AB Bendiro AB Chalmers Tekniska Högskola -Institutionen för byggnadsmekanik Ferruform AB Kanthal AB IM Institutet för Metallforskning AB IVF Industriforskning och utveckling AB ORTIC AB PRESS & PLÅTINDUSTRI AB Scandinavian CAD AB SSAB Tunnplåt AB Volvo Personvagnar AB VINNOVA

2 VAMP15 - FORMNING AV ULTRAHÖGHÅLLFASTA STÅL Delrapport 15 FORMNING EFTER VÄRMEBEHANDLING Håkan Thoors, IM Thomas Skåre, IUC

3 INNEHÅLLSFÖRTECKNING INLEDNING 1 MATERIAL 2 VÄRMEBEHANDLINGAR 3 METODER FÖR LOKAL VÄRMEBEHANDLING 5 INDUKTIV VÄRMNING 5 VÄRMNING MED IR-PANELER 6 UPPVÄRMNNG MED LASER 6 TEST A - LDH-TEST AV RONDELLER 8 KOMMENTARER PÅ RESULTATEN 16 SLUTSATSER LDH-PROVNING 16 FALL B - BOCKNING EFTER LASERBEHANDLING 17 FALL C - KRAGNING AV VÄRMEBEHANDLAT MATERIAL 20 FALL D - EFTERFORMNING AV HATTPROFIL 23 SLUTSATSER AV "TILLPLATTNING AV BALKÄNDE" 29 FALL E - HYDROFORMNING AV RÖR EFTER VÄRMEBEHANDLING 30 BAKGRUND 30 EXPERIMENTELL UTRUSTNING 31 EXPERIMENTELLA FÖRUTSÄTTNINGAR 32 RESULTAT 33 SLUTSATSER-HYDROFORMNING AV RÖR 35 SLUTSATSER 36 REFERENSER 37

4 INLEDNING En av de främsta drivkrafterna för att öka användningen av höghållfast kolstål och rostfritt stål i nya plåtkonstruktioner är möjligheten att minska vikten. Detta i sin tur drivs av förväntade miljövinster. Miljövinsterna är oftast kopplade till minskad bränsleförbrukning för konstruktionen som sådan (bilar/lastbilar/tåg/buss etc) eller för transporter av slutprodukterna (containers). Lättare konstruktioner med höghållfast stål åstadkoms typiskt genom att minska plåttjockleken. Genom den högre hållfastheten kan konstruktionens hållfasthet bibehållas eller förbättras trots att plåttjockleken minskas. Dock kan ej egenskaper som beror av materialets elastiska egenskaper (styvhet) bibehållas utan att ändra produktutformningen. Projektet fokuserades mot att använda ultrahöghållfasta kolstål och rostfria stål för tillverkning av balkar. Som formningsmetoder användes rullformning, kantbockning och djupformning. Material med brottgränser upp till 1500 MPa har undersökts. Denna rapportdel behandlar formning efter lokal värmebehandling. Vissa utvalda höghållfasta stål som ingått i projektet har detaljstuderats. En stor förstudie har tidigare utförts på snabba värmebehandlingar av UHS-material, både kolstål och rostfritt [ref1, ref2]. I förstudien användes saltbad eftersom detta är en process med mycket snabba uppvärmningsförlopp där temperaturen kan styras mycket noggrant. Hela provkropparna värmdes för att bestämma materialens respons på värmebehandling. Från förstudien erhölls kombinationer av tid och temperatur för värmebehandlingen som gav intressanta egenskaper. I denna rapportdel är tanken att bara lokalt värmebehandla det material som utsätts för stora töjningar och där risk för brott eller defekta slutprodukter eller undermåliga egenskaper annars föreligger och att i de zonerna uppnå de riktvärden på hårdhet som erhölls under förstudien med tre olika metoder. En sådan värmebehandling skulle i ett verkligt scenario kunna utföras då detaljens form i princip är färdig till exempel för att göra en mindre prägling eller utföra en kragning, bocka en balkform eller stuka till en balkända för att skapa en fogyta mot ett annat element. De metoder som använts här är 1-värmning med IR-paneler [ref3], 2-värmning med induktionselement [ref4], 3-värmning med laser [ref5,6] och 4-värmning i saltbad. Metoderna kommer kort att beskrivas och försöken finns i detalj beskrivna i ovan nämnda referenser. UHS-material som utsatts för lokal värmebehandling har formbarhetstestats i flera olika fall.

5 I fall A har rondeller med en diameter på 80 mm tagits fram och sträckpressbarheten testats i ett modifierat erichséntest där maximalt pressdjup till brott registreras. I fall B utfördes bockningsprov på laserbehandlat material. I fall C utfördes en kragningstest på värmebehandlat och utgångsmaterial. Fall D är ett produktionsliknande exempel där breda remsor klipps av UHS material och kantbockas till hattprofiler. Ena änden av hattprofilen värmebehandlas medan den andra änden får vara referensmaterial. I ett speciellt framtaget enkelt verktyg plattas sedan hattprofilen med olika svårighetsgrad till så att taket hamnar i nivå med brättena. I fall E formades rör av UHS och testades före och efter värmebehandling i ett hydroformningsverktyg. MATERIAL Materialen presenteras mer i detalj under respektive test. Ett antal varianter av HyTens metastabila austenitiska rostfria stål har ingått i försöken. De betecknas utgående från brottgräns så att HyTens1200 har en brottgräns på 1200 MPa. Materialen kan kallvalsas upp till mycket höga hållfasthetsnivåer och kan bilda martensit under kalldeformationen. Materialens brottgräns har i projektet varierat mellan 1000 och 1800 MPa. Kolstålen i projektet benämns DP vilket står för Dual Phase, en blandning av ferrit och martensit. Även för DP-stålen finns en siffra som kan relateras till en ungefärlig brottgräns. DP1000 och DP1400 fanns med här. I de allra mest höghållfasta varianterna är formbarheten mycket låg medan de mindre extrema varianterna kan uppvisa förvånansvärt goda formningsegenskaper. 2

6 VÄRMEBEHANDLINGAR Här berörs kort de inledande värmebehandlingarnas resultat. I Figur 1 nedan visas resultat av värmebehandlingar i saltbad av ett HyTens rostfritt material. Genom kallvalsning och viss modifiering av analysen hos HyTens-materialen kan brott- och framförallt sträckgränsen höjas hos materialet. Den svarta kurvan motsvarar det kallvalsade tillståndet. Genom värmebehandling vid högre och högre temperatur närmar man sig egenskapsmässigt mer och mer den röda 1050 C-kurvan som kan sägas motsvara ett normalt leveranstillstånd hos ett glödgat rostfritt 301-material. Framförallt är det sträckgränsen och brottförlängningen som påverkas genom värmebehandlingen. Teknologisk spänning [MPa] Material: HyTens1700 obehandlad 800 C 870 C 1000 C 1050 C % 10% 20% 30% 40% 50% Brottförlängning, A80 Figur 1 Resultat av 15s värmebehandling i saltbad. Redan vid 800 C är brottförlängningen över 20%, nästan 10 ggr ursprungsvärdet. Denna temperatur/tid-kombination bedömdes som intressantast för de kommande lokala värmebehandlingarna. Vid än högre temperaturer sänks sträckgränsen mycket. De testade HyTens-varianterna uppvisade också en platå i hårdhetsvärdena runt denna testade vilket kan vara gynnsamt då det kan bli enklare att få fram upprepbara, robusta resultat, Figur 2. Dessutom visade det sig att de olika materialens hårdheter sammanföll till en nivå på c:a 330 HV0.5 för alla testade HyTens-material. 3

7 Hårdhet HV Hålltid: 14 s 316 HyTens1200 HyTens1500 HyTens Intressant område Värmebehandlingstemperatur, C Figur 2 Hårdheter vid intressant mellantemperatur Utgående från saltbadsförsöken bestämdes att prova formningsegenskaperna för kallvalsat material och för helt glödgat samt vid en mellantemperatur på c:a 800 C. Även kolstålens respons på värmebehandling undersöktes. i Figur 3 nedan visas slutgiltigt valda egenskaper. Här sammanfaller kurvorna för materialen för den valda temperaturen, c:a 850 C DP1400-leveranstillstånd Teknologisk spänning [MPa] DP1000-leveranstillstånd DP1000-VB DP1400-VB Teknologisk töjning [%] Figur 3 Resultat av dragprovning på värmebehandlat Dual Phase-material.. För alla materialen skulle önskvärda mekaniska egenskaper styras genom att en viss hårdhet uppnås med de olika lokala värmebehandlingsmetoderna. 4

8 METODER FÖR LOKAL VÄRMEBEHANDLING Induktiv värmning Denna metod bygger på att man leder en mellan- eller högfrekvent ström genom en kopparspole s k induktor. Kring denna induktor uppstår då ett magnetfält. Om spolen placeras nära ett ferromagnetiskt material kommer ström att induceras i detta. Därmed sker värmning med hög verkningsgrad dels genom resistiva förluster och dels genom hysteresförluster som uppstår i det ferromagnetiska materialet. För att hålla ett konstant kopplingsavstånd, d v s avstånd mellan induktor och plåt, användes en keramisk platta som mothåll på baksidan av plåten. Figur 4 Induktiv strålare med hållare för testplåt och keramisk platta som Testytan för LDH-provning skulle vara en rondell med diametern 80. 5

9 Värmning med IR-paneler IR-strålaren bestod av ett meanderformat värmeelement monterat på en reflektor av keramisk fiber. Strålarens värmeavgivande yta var rektangulär, 120 x 70 mm. Mitt emot strålaren placerades ett eldfast tegel som motstrålare. Spalten mellan reflektor och tegel var mm. Den tillförda effekten styrdes av en tyristor och temperaturregulator. Temperaturen i spalten var inställd på 1350 C som ansågs vara ett optimalt värde. Värmningen startades vid en så hög temperatur som möjligt utan att överskrida den högsta tillåtna elementtemperaturen i slutet av värmningen för att få en så snabb värmning som möjligt. Vid värningen hölls plåtarna med en polygriptång i läge mellan strålaren och motstrålaren under tider enligt Tabell 2 nedan. Med påsvetsade termoelement på plåtarna bestämdes värmningstiderna experimentellt för att uppnå måltemperaturerna. Testytan för LDH-provning skulle vara en rondell med diametern 80. Figur 5 Uppställning vid IR-försöken. Uppvärmning med laser Vid laservärmebehandling tillförs värme till den yttersta ytan av det bestrålade området. Effekttäthet och interaktionstid avgör hur mycket värme som genereras och hur snabbt detta sker. Värmespridningen i plåten (i praktiken uppvärmnings och svalningshastighet) bestäms av värmeledningsförmågan samt plåttjockleken. 6

10 För att kunna utföra laservärmebehandling av plåt på ett riktigt sätt måste följande väsentliga aspekter beaktas: plåten måste genomglödgas, en jämn temperaturprofil måste erhållas genom hela tjockleken och rätt temperatur måste uppnås. I praktiken innebär det en anpassning av energitäthet samt interaktionstid. Kylningshastigheten styrs av värmeledning till omkringliggande material och är i praktiken omöjlig att påverka. Laserbehandlingarna har utförs med hjälp av en pulsad högeffektlaser, Nd:YAG, med 800 W medeleffekt. Lasern är utrustad med ett numeriskt kontrollerat x-y bord för mycket noggrann förflytning av laserstrålen över arbetsytan. Fördelen med Nd:YAG laser är det att den våglängd som används (1,064µm) kommer att absorberas betydlig bättre än längre våglängder (t.ex. CO 2 -lasrar). Följaktligen kan laserbehandlingarna utföras utan absorptionshöjande beläggningar som t. ex. grafit eller svart lack. Försöken har utförs i spår parallella med valsriktningen. Genom en speciell optik formades laserstrålen till rektangulär form, 5,5x5,5mm. Laserbehandlingarnas effekt på formbarheten testades på raka spår där materialet bockades. Figur 6 Principskiss av laseruppvärmningen 7

11 TEST A - LDH-TEST AV RONDELLER Rondeller med en diameter på 80 mm klipptes ut ur A4-stora plåtar, lokalt värmebehandlade med induktion och IR. Nedan visas den värmebehandlade zonens storlek i förhållande till och provstorleken för en IR-värmd detalj för LDH-testning. Figur 7 Form hos värmebehandlad zon för IR-proven i förhållande till provrondellen. I detta försök ingick fyra olika material som redovisas i Tabell 1 nedan. Riktvärden på hårdheter att uppnå efter värmebehandling framgår också av tabellen. Tabell 1 Riktvärden för temperatur och hårdhet HV0.5 att uppnå för olika processer/material. Material Temperatur Hårdhet Utgångshårdhet HyTens 1200 max HyTens HyTens 1700 max HyTens Docol 1000 DP Docol 1400 DP Hårdhetsmätningar gjordes på behandlat utklippt material. I Tabell 2 redovisas de uppmätta hårdheterna på proverna. 8

12 tid (1), Tabell 2 Uppmätta temperaturer och hårdheter vid försök A. (1) Temperaturen styrs med tiden vid konstant strålning, (2) Medelhårdhet i homogen behandlad zon, se Figur 8, (3) ref 4 Material Hårdhet (3), temp/tid, Hårdhet, tjocklek induktion induktion IR (2) IR [mm] HyTens / HyTens / HyTens / HyTens / Docol 1000 DP / Docol 1400 DP / I Figur 8-Figur 11 visas några hårdhetsprofiler för induktions och IR-uppvärmda prover. En gradient i hårdhet uppstår för båda materialen och ibland är den värmebehandlade zonen med låg hårdhet mindre än avsedda 80 mm. 500 Hårdhet [HV0.5] Figur 8 DP1400-värmebehandlat IR. Genomsnittshårdhet 262 på en 40 mm diameter Avstånd från centrum [mm] IR-värmebehandlingen av material DP1400 i Figur 8 har gett bra resultat, en sänkning av hårdheten på c:a 200 HV0.5 ner till nära avsedd hårdhet, men kanske inte på en tillräckligt stor yta. Detta är fallet generellt. Rondellerna är 80 mm i diameter, öppningen i verktyget c:a 50 mm. Längdaxeln ligger här på den värmebehandlade zonens minsta sida så vinkelrätt mot denna riktning är den homogena zonen förmodligen större. 9

13 550 Hårdhet [HV0.5] Figur 9 HyTens C En rondell med diameter på c:a 50 mm är värmebehandlad ner till bra hårdhetsnivå, 228HV Avstånd från centrum [mm] Hårdhet [HV0.5] Avstånd från centrum [mm] Figur 10 Effekten av värmning till den lägre temperaturen ~800 C har varit för liten, från ~500HV till ~400HV. Det syns ingen gradient i hårdhet på den värmebehandlade zonen vilket är bra men hårdhetsnivån är lite för hög, ~400 HV0.5 i st f avsedda 355HV Hårdhet Avstånd från centrum [mm] Figur 11 HyTens C. Även för detta material är hårdheten rejält sänkt för den höga temperaturen. Den värmebehandlade homogena zonen är c:a 50 mm i diameter. Medelhårdheten ligger på c:a 202 HV0.5. Samtliga lokalt värmebehandlade prover, även laserbehandlade, uppvisar stor deformation pga en kombination av restspänningar, materialanisotropi och värmeutvidgning i samband med uppvärmningen, se Figur 12. En bula uppkommer mitt i den behandlade zonen. Det är förmodligen mycket svårt att styra riktningen på utbuktningen. Det verkar som om stor 10

14 kallvalsningsgrad och hög värmebehandlingstemperatur ger en större bula. Då alla metoderna är känsliga för att korrekt avstånd bibehålls kommer utbuktningen om den inte kan kontrolleras att påverka uppnådd temperatur. Docol-materialet visar lägre bulor vilket också kan sammanhänga med större plåttjocklek. De klippta rondellerna lades med bulan uppåt vid LDH-provningen. Eftersom materialet har haft möjlighet att bukta ut så kan man anse att det är odeformerat. Det blir då viktigt att på något sätt hitta nollan, då stämpeln träffar plåten. Figur 12 visar också förhållandet mellan den värmebehandlade zonens storlek och storleken på rondellen och den bula som dras vid provningen, Ø=50mm C 800 C Figur 12 Induktionsvärmd zon för material HyTens1700. Figur 13 Jämförelse av utseende för induktionsvärmda zoner 11

15 Utvärdering av materialens sträckpressbarhet utfördes i ett verktyg för modifierad Erichsénprovning. Höjden till brott registrerades. Smörjning gjordes med två lager av teflonfilm med ett lager fett emellan. Figur 14 Ritning för verktyg för modifierat Erichsen [28]. Φp= 33mm, Φa= 49mm, Φb= 40mm, R= 4,5mm. Testade rondeller av de induktivt värmda rostfria materialen visas i Figur 15 nedan. obehandlad 11.3 Figur ºC 11.7(+4%) 1050ºC 20.3(+80%) obehandlad ºC 11.1 (+23%) 1050ºC 18.3 (+102%) Resultat av LDH-provning för HyTens 1200 (vänster) och HyTens 1700 (höger). Ökningen vid mellantemperaturen var mycket liten, speciellt för HyTens 1200 medan det värmebehandlingen till fullt glödgat material gav betydligt större ökningar. De induktivt värmda kolstålen DP1000 och DP1400, rostfria materialen visas i Figur

16 (+25%) (+16%) Figur 16 Kolstålen: DP1000-två första kolumnerna och DP1400- kolumn 3 och 4. Första kolumnen - obehandlat, andra kolumnen - efter 850 C. En skillnad i pressdjup på mellan 16 och 25% uppmättes för de induktivt värmebehandlade proverna. Endast en representant från varje variant visas för de IR-uppvärmda proverna nedan. obehandlad T1=800ºC eller 850ºC 1050ºC Figur 17 Resultat av LDH-test på IR-värmda rondeller. Övre raden: HyTens1200, mellanraden: HyTens1700, nederst: DP1400. I Tabell 3 - Tabell 5 anges uppmätt LDH i dessa försök och i saltbadsförsöken. 13

17 Tabell 3 Max höjd [mm] efter före och induktionsuppvärmning OB 800 C 1050 C ökning1 ökning2 DP % DP % HyTens % 80% HyTens % 102% Tabell 4 Max höjd efter IR-Uppvärmning OB 800 C 1050 C ökning1 ökning2 DP % DP % HyTens % 85% HyTens % 102% Tabell 5 Resultat - LDH och hårdhet - vid referensprovningar i saltbad Material egenskap obehandlat 700ºC 800ºC 870ºC 1050ºC HyTens 1200 LDH HyTens 1700 LDH HyTens 1200 HV HyTens 1700 HV HyTens 1200 ökat LDH 0% 6% 23% 43% 86% HyTens 1700 ökat LDH 0% 18% 52% 89% 133% Mellan 700 och 1050 grader Ökning av LDH Figur 18 HyTens1200 HyTens1700 HyTens1700-induktion HyTens1700-IR HyTens1200-induktion HyTens1200-IR Hårdhet [HV0.5] Försöken vid låga värmebehandlingstemperaturer för HyTens ger sämre LDH-resultat än vid saltbadsförsöken trots att hårdheten för induktionsfallet blivit lägre än avsett. 14

18 25 20 obehandlat 800 C 1050 C HT1700salt HT1700ind HT1700IR HT1200salt HT1200ind HT1200IR DP1400salt DP1400ind DP1400IR DP1000salt DP1000ind DP1000IR 140% 120% 800 C 1050 C 100% 80% 60% 40% 20% 0% HT1700salt HT1700ind HT1700IR HT1200salt HT1200ind HT1200IR DP1400salt DP1400ind DP1400IR DP1000salt DP1000ind DP1000IR Figur 19 LDH i mm (överst) och relativ förändring efter värmebehandling (nedre) 15

19 Kommentarer på resultaten Skillnaderna mellan LDH-värdena kan tyckas små i jämförelse med de stora skillnader som uppmätts i brottförlängning A80 men små skillnader i LDH kan motsvara stora skillnader i maximal töjning. Detta illustreras i Figur 20 som visar resultat från tidigare körningar i samma verktyg där man mätt töjningarna utgående från påetsade cirkulära mönster. Materialet är mässing (stort deformationshårdnande och FCC-struktur som det rostfria materialet) med mindre plåt-tjocklek än i vårt fall. Figur 20 Figuren illustrerar effekten av en ökning från 14 till 18.7 mm i LDHvärdet. Tjocklekstöjningarna mitt på stämpeln ökar från c:a 15% till 30%. Den ökning på 2 till 2.4 mm som erhålls vid värmebehandling till mellantemperaturen kan alltså motsvara c:a 10% mer brottöjning. Slutsatser LDH-provning Försöken visar att det är fullt möjligt att värmebehandla lokalt både med IR och induktion men att mer intrimning av data behövs. För HyTens-materialen uppnåddes stora förbättringar vid de höga temperaturerna medan mellantemperaturerna gav.att glödga fullt ut verkar också vara mindre känsligt än att försöka hitta en platå med mellanresultat. 16

20 FALL B - BOCKNING EFTER LASERBEHANDLING Bockningsprov har utförts hos SSAB på samma material som använts i de inledande värmebehandlingsförsöken i saltbad. Tre olika värmebehandlingar gjordes för HyTens1700, 1 och 2 skiljer sig åt genom kombinationen av effekttäthet i laserstrålen och interaktionstid (draghastighet), vilket antingen ger ett helt glödgat material och eller ett motsvarande värmning till c:a 800ºC. Tabell 6 Testade variant av bockprover. Draghastighet i lasern i mm/min. namn Material Värmebehandling effekt W draghastighet Hårdhet HV0.5 Hopslagning A HyTens W Ja B HyTens W Ja C HyTens W Ja D Docol 1000 DP 1 300W Ja E Docol 1400 DP 1 300W Ja, större radie än DP1000 F HyTens1700 "smal" vb1 140W Nej, 90 grader För F har lasern flyttats längre från provet och draghastigheten har ökats för att hindra värmen från att sprida sig i materialet i syfte att åstadkomma en så smal zon som möjligt. Figur 21 A4-stora plåtar användes och laserbehandlades dels med normal zonstorlek, dels i ett fall med smalare zon (höger) Under provningen bockas materialet med kniv med c:a 1 mm radie, till c:a 120 grader. Därefter kläms bocken ihop till 180 grader mellan plana verktyg. Då blir innerradien nära noll. Alla varianterna gick att slå ihop till 180 grader till mycket liten innerradie utom variant F, HyTens1700 (smal zon), där ett försök gjorts att få en smalare påverkad zon. Zonen blir så smal att all deformation koncentreras till ett mycket litet område med brott som följd. Även 17

21 med större kniv blir bockradien högst 1 mm. Det är alltså möjligt att styra bockradien med laserbehandlingen. Även variant F kan bockas till 90 grader och då med en mycket skarp radie se Figur 22. Inte heller variant E, DP1400, får en skarp innerradie. Figur 22 Samtliga hopslagna prover A-HyTens1700 B-HyTens1700 C-HyTens1200 D-Docol 1000 DP E-Docol 1400 DP F-HyTens1700-smal zon, klarar inte hopslagning Innerradien för DP1400 blir också avsevärt större än övriga fall, Figur 23. Tjockleken för DPmaterialen är 0.8 mm jämfört med 0.5 mm för HyTens-materialen. Figur 23 Hopslagna prover av DP1000 och DP1400 efter laserbehandling, radien blir betydligt större för DP1400. Inga tecken på sprickbildning ses på plåtens yta vid ändarna eller i mittpartiet, Figur 24. Figur 24 Det syns inga sprickor på bockens utsida eller i kanterna. Uppifrån: Prov A, B, C, D och E. I bilden kan man se oxider bildade vid laserbehandlingen som flagnat av vid bockningen. Det går alltså att uppnå bra resultat för bockning med laservärmda prover, både när värmning sker till motsvarande 1050ºC och till 800ºC eller 850ºC (kolstål). Genom att styra zonens bredd kan man också begränsa den värmepåverkade zonen och göra mycket fina bockar. 18

22 Detta kräver förstås att man träffar mycket precist med kniven. Att däremot värmebehandla större ytor blir mycket mer komplicerat då värme från det ena spåret påverkar tidigare värmt material och material som värms i nästa spår. Detaljutvärdering kan ske i snitt, se Figur 25. Prov D. Docol 1000 DP. Liten spricka. Prov E. Docol 1400 DP. Stor radie, inga sprickor. Prov A. HyTens1700, VB2, sprickor Prov B. HyTens1700, VB1, sprickor Prov C. HyTens1200, inga sprickor Figur 25 Snittade sammanslagna plåtar. Radierna skiljer sig ganska mycket åt. Sprickor uppträder på innerradien för den skarpaste bocken, HyTens1700, för båda värmebehandlingarna. 19

23 FALL C - KRAGNING AV VÄRMEBEHANDLAT MATERIAL Kragningsförsök har utförts på HyTens-material i en 200-tons Lagan-press på SSAB Tunnplåt i Borlänge. Testplåtarnas storlek var 100x100mm och hade en tjocklek på 0,5 mm. Figur 26 Ritning av stämplarna för kragningsprovet Försöken utfördes i två serier, en med liten stämpeldiameter, 25mm, och en med stor, 50mm. De koniska stämplarnas geometrier visas i Figur 26. Hål med varierande diameter stansas normalt ut ur plåtarna som ska testas. För den lilla stämpeln används hål med diameter mellan 13 och 22mm, vilket ger dragförhållande mellan 1,14 och 1,92. För den stora stämpeln erhålls samma dragförhållanden med hål från 26 till 44mm. Plåt med hål placeras på stämpeln, efter smörjning med lämpligt smörjmedel. I dessa försök användes Aral Ropa Plåten pressas ned över stämpeln genom att dynan rör sig nedåt med en hastighet på ca 25mm/s. Olika dynor används för de olika stämpeldiametrarna. För den mindre stämpeln används en dyna med kantradien 0,5mm och öppningen 29,2mm. Motsvarande värden för den stora stämpeln är 0,5mm och 51,8mm. Detta ger en spalt som är 2,1mm för den lilla stämpeln och 0,9mm för den stora. När plåten är pressad betygssätts kragkanten från noll till fyra med 20

24 hjälp av en mall. Noll eller ett bedöms som godkänt och allt däröver icke godkänt. Därefter avgörs vilket dragförhållande det godkända provet med minst utgångsdiameter har, vilket ger det största möjliga dragförhållandet. Provning görs både med och mot klippkanten från stansningen av hålet. I ett första försök testades HyTens1200 värmebehandlat i 14 sekunder vid 700, 750, 800 och 1050 grader. De maximala dragförhållanden som erhölls vid försöket visas i Tabell 7. Tabell 7 Minsta godkända dragförhållande vid kragning. Lilla serien mot betyder den serie där den mindre stämpeln används och att klippgraden vänts nedåt, mot stämpeln. T Lilla serien Lilla serien Stora serien Stora serien mot från mot från Ingen förbättring kunde registreras vid värmebehandling för den lilla serien, utom för 1050 grader, med klippgraden mot stämpeln. För den stora serien ger det obehandlade materialet bäst resultat, tillsammans med 1050 grader, klippgrad mot stämpeln. Anledningen till det dåliga resultatet antas vara att stansverktyget var oskarpt vid provtillfället och att plåten var lite för tunn jämfört med de plåtar som normalt stansas så att spelet blir större. Dessa faktorer kan tillsammans med det stora deformationshårdnandet ge stora grader och kalldeformation i klippkanten med åtföljande sprickor i kragen. I ett kompletterande försök borrades hålen därför ut och avgradades så att ingen grad fanns kvar. Material HyTens1200 testades både i hårt, obehandlat tillstånd och efter saltbadsvärmning till 700 respektive 1100 grader i 15s. Alla tre varianterna kunde nu dras till det högsta möjliga dragförhållandet, 1.92, i verktyget. Försöket visar att det är fullt möjligt att göra HyTens-materialen kragbara om man lägger ner omsorg på håltagningen. Att borra och avgrada är förmodligen överarbetat åt ena hållet medan stansningen i det första försöket representerar den andra änden av skalan. Bilder på färdiga kragningar visas i Figur

25 Figur 27 Maximal kragningshöjd utan sprickbildning erhölls både för HyTens1200 och HyTens1700 efter noggrann håltagning. Även för Docol 1000 DP och 1400 DP testades kragbarheten [ref1]. Här stansades hålen ut på normalt sätt. Kragningen utfördes med den stora stämpeln, Ø=50 mm. Resultaten sammanfattas i Tabell 8. Tabell 8 Resultat av kragning [ref1]. Material Värmebehandlat D/D 0 grad mot D/D 0 grad mot Kommentar stämpel stämpel Docol 1000 DP Nej Docol 1000 DP Ja Docol 1400 DP Nej X X spricker i radien Docol 1400 DP Ja Även resultaten för kolstålen skulle förmodligen förbättras avsevärt om håltagningen gjordes så att hål utan grader och kallbearbetning erhölls. Effekten av värmebehandlingen är i alla fall att minska effekten av graden och öka det möjliga dragförhållandet till acceptabel nivå. 22

26 FALL D - EFTERFORMNING AV HATTPROFIL Fyra material testades, kolstålen Docol 1000 DP och Docol 1400 DP samt två nya rostfria, HyTens1000 och HyTens1600, samtliga i tjocklek 0.8 mm Hattprofiler formades genom kantpressning i hårt tillstånd. Profilerna gjordes 600 mm långa och har 25 mm långa brätten, en höjd på 20 mm och en takbredd på 50 mm, Figur 28. Figur 28 Hattprofiler formades av band. Till en första provomgång formades en 3 mm ytterradie på hattprofilen utan problem 1 (vid detta tillfälle var de rostfria varianterna desamma som i LDH-provningen med en tjocklek av 0.5 mm). Då fler profiler skulle tas fram på annan ort och i en annan maskin klarade man inte detta utan materialet brast och man fick gå till 4.5 mm i stället. De slutliga proverna togs fram i denna maskin med denna radie. 1 Kördata för omgång 1: verktyg Mod º R (övre) Mod º (undre) 3mm/s, 150kN Materialen värmebehandlades i saltbad. För Docol 1000 och Docol 1400 i 830ºC i 14s följt av luftsvalning medan de rostfria HyTens1000 och HyTens1600 kördes i två varianter: 1) - 800ºC i 14s och 2) ºC i 14s följt av kylning i varm olja. I de flesta fall värmebehandlades bara den ena änden av profilen medan den andra fick vara referens. Anledningen till att saltbad användes var att det blev för komplicerat att snabbt få fram en IR-panel som kunde ge en jämn värmning på hela profilen. Själva formningsmetodiken tog ganska lång tid att få fram och det var länge oklart exakt var den största formbarheten skulle behövas. Försök gjorde att simulera en formning där hattbalken i ett eller två slag kunde plattas till och spridas ut. Detta visade sig för svårt och tidskrävande för projektet och vanliga plåtformningsmodeller fungerade sämre för detta formningsfall som närmar sig smidning. 23

27 På Press och plåtindustrier i Oskarshamn tog man fram en metodik som visade sig genomförbar med en uppsättning ganska enkla verktyg, Figur 29. Hattprofilen trycks fast över en stålkärna D som fasas ner i slutet och fungerar som dyna. Profilen fixeras med ett öververktyg A lika brett som takbredden plus c:a 1 mm. I denna fixturöverdel görs ett urtag där en stämpel med en lutande fas kan tryckas ner mot taket. Då stämpeln B träffar profilens tak och rör sig nedåt mot brättets plan rullas väggarna nedåt utan att deformeras så mycket att brott uppstår. Stämpelns lutning kan varieras och man kan också använda ett mellansteg med en förformningsstämpel C med en mindre botten- och fasyta för att variera svårighetsgraden hos formningen. På så sätt kan flera svårighetsgrader av formningen testas för att uppnå en klarare ranking av material och värmebehandlingsresultat. Formningen gjordes i tre olika svårighetsgrader: 1 Två stämplar, 15 lutning, formning i två steg 2 En stämpel med 15 lutning, formning i ett steg 3 En stämpel med 45 lutning, formning i ett steg. Figur 29 Verktygsuppsättning för 15º lutning på fasen. A-öververktyg, B-slutformningsstämpel, C-förformningsstämpel och D- underverktyg Verktygsdelar för en tvärare avfasning, brantare lutning, på 45º visas i Figur

28 Figur 30 Verktygsdelar för en 45º lutning på fasen. Både dynan A och stämpeln B ändras. Blecken C sätts in för att kontrollera för att styra hur väggen rullar ner. På bilden finns också två bleck som användes för att få den dubbla väggen mera lodrät. De är dock här gjorda i för mjukt material och deformeras själva. En viss vägghöjd blir kvar, mellan 12 och 16 mm. Figur 31 Uppsättning i maskin. Lägg märke till blecken för styrning av profilväggen. 25

29 Figur 32 Exempel på lyckade slutformer där en fogyta skapats i brättets plan och materialet rullats ner vid radien mellan vägg och tak. Fas med 15 graders lutning. Till vänster-dp1000 efter 830ºC. Till Höger: HyTens1600 efter 1050ºC. En bra fogyta skapas av det som tidigare var tak och de båda brättena. Deformationen koncentreras till bocken mellan tak och vägg och material i väggen som rullas ner. Det är svårt att med det enkla verktyget få de dubbla väggarna parallella. Därför sattes små bleck in för att styra materialet. Figur 33 DP1400-materialet format med tre olika svårighetsgrader. Då materialet värmebehandlats klarar det alla tre formningarna, utan värmebehandling inte ens den enklaste varianten i övre vänstra hörnet med 15 lutning i 2 steg. 26

30 Material DP1000 och DP1400 uppförde sig likadant i testerna. Formbarheten är för låg för att klara ens den enklaste av de tre formningstyperna medan man efter värmebehandlingen kan klara alla tre, Figur 33. Figur 34 HyTens1600-detaljer i olika svårighetsgrader. Testserien är utslagsgivande och visar på tydliga skillnader i formbarhet dels mellan materialen, dels mellan obehandlat och värmebehandlat material. HyTens1000 som inte är något extremt höghållfast material i "HyTens-familjen" visar god formbarhet och klarar alla tre formningstyperna även i obehandlat tillstånd. Det ska också observeras att små förbättringar i verktygen gjordes under provningarnas gång och att samtliga prover utom ett ändå klarat sig trots att HyTens1000 köredes först i provserien. Former av material HyTens1600 visas i Figur 34. Här fås en gradvis förbättring av formbarheten där det obehandlade materialet inte klarar någon form medan det efter värmning till mellantemperaturen 800 grader kan formas med 15 graders-verktyget i två steg och det efter 1050 grader är möjligt att klara alla tre formerna. 27

31 Figur 35 och Figur 36 illustrerar en fördel hos det rostfria materialet som kan värmebehandlas till ett mjukare mer formbart tillstånd för att sedan återfå en del av hållfastheten vid den kalldeformation som formningen ger kallvalsatbockat kalldeformerat i vägg position 1 HV kallvalsat VB-800 C kalldeformerat i vägg position VB-1050 C 100 Historik 50 0 Figur 35 Utvecklingen av hårdheten (hållfastheten) hos HyTens1000 då materialet bockas, värmebehandlas och sedan kalldeformeras i olika grad på olika positioner i profilen. Figur 36 Snittad deformerad hattprofil i material HyTens1000. Från den värmebehandlade grundhårdheten (1050ºC, 200 HV0.5) stiger hållfastheten beroende på olika grad av kalldeformation i profilens vägg. Figur 36 illustrerar hur materialet deformerats och hårdheten ökats från det värmebehandlade odeformerade tillståndet vid tillplattningsoperationen. Man kan anta att man vid den höga temperatur som rått fått en utjämning av hårdheten även i bocken och att all hårdhetsökning därför är ett resultat av den lokala deformationen. Resultaten av alla formningarna redovisas nedan i Tabell 9. 28

32 Tabell 9 Sammanställning av tillplattning av hattprofilände; - ej testad; gul - godkänd; röd - brott; ob - obehandlad Lättast Formningstyp 15 två steg Medelsvår Formningstyp 15 ett steg Svår Formningstyp 45 ett steg Materialvariant godkänd brott godkänd brott godkänd brott HyTens1000-ob HyTens C prov31 HyTens C HyTens1600-ob - - HyTens C HyTens C DP1000-ob DP C DP1400-ob DP C Slutsatser av "tillplattning av balkände" Formningsegenskaperna för det mjukare av de två rostfria stålen, HyTens1000, är mer än tillräcklig för testdetaljerna. Det andra rostfria materialet, HyTens1600, klarar inte någon formning i obehandlat hårt tillstånd men förbättras betydligt med en mellanhög temperaturbehandling och klarar då den enklaste formningen. Den blir dock ännu bättre efter 1050ºC och klarar då både den mellansvåra och den svåraste formningen. Även kolstålen svarar bra på värmebehandlingarna. I obehandlat tillstånd klarar de ingen av formningarna men efter värmebehandling vid 830ºC går alla tre formningarna bra. 29

33 FALL E - HYDROFORMNING AV RÖR EFTER VÄRMEBEHANDLING Tomas Skåre, IUC Bakgrund Föreliggande studie avser att undersöka formbarheten hos rör genom hydroformning. Undersökta material har inskränkts till att omfatta Docol 1000 DP i hårt och värmebehandlat tillstånd (saltbad). Svårigheten för Corus, Holland att tillverka lasersvetsade rör i materialet har medfört att endast 15 tester kunde utföras med erhållen mängd rörmaterial. Fem tester utfördes med obehandlat hårt material och tio tester med värmebehandlat Docol 1000 DP. Fördelningen av försöken med 5 till 10 beror på att svetsens kvalitet styr formbarheten hos röret för ursprungskvaliteten, dvs svetsen var alltid den svagaste linjen och medförde brott mitt i svetsen eller i den värmepåverkade zonen benämnd HAZ (fr. eng. Heat Affected Zone). Därför valdes att göra fler försök med värmebehandlat material. Figur 37. Figuren visar rör formade till brott för dels materialkvaliteten Docol 1000 DP och dels Docol 1000 DP värmebehandlad i 30 sekunder vid temperaturen 850 C. Den skillnad i egenskaper som erhålls i röret genom värmebehandling är att svetsen erhåller grundmaterialets egenskaper och att grundmaterialets formbarhet innan brott ökar. 30

34 Experimentell utrustning Under försöken användes utrustningen i Figur 38. Röret expanderades till brott genom raka töjningsvägar. Undersökta töjningsförhållanden var β = {0 (plan töjning), , -0.25, }. Principen för försöken framgår enligt Figur 39. Under försöken detekterades rörets slutliga längd och diameter samt maximalt tryck vid brott. Momentana värden för kraft, tryck och lägen detekterades ej främst på grund av det låga antal försök som kunde utföras. En orimligt stor arbetsinsats krävs för att trimma in utrustningen innan relevant information kan erhållas, vilket medförde att endast de statiska slutvärdena vid brott detekterades. Utgående ifrån rörets längd, form och diameter kan sedan rörets töjning skattas i två huvudtöjningsriktningar. Riktning 1 sammanfaller med rörets radie och riktning 2 sammanfaller med rörets effektiva längd enligt sambandet nedan, där indexen 0 och 1 beskriver före och under formning. Vidare beskriver r rörets radie, l rörets effektiva längd, t materialtjockleken, β töjningsförhållandet och ϕ sann töjning i riktning 1, 2 och 3. r1 ϕ1 = ln r 0 l ϕ 2 = βϕ1 = ln l t1 ϕ = 3 ln t0 1 0 Detta under förutsättning att vi kan betrakta rörmaterialet som tunt och att plant spänningstillstånd gäller. För att styra rörets form längs en rak töjningsväg med hjälp av innertrycket pi och kraften FAxiell mot rörets ändyta krävs att följande samband utnyttjas, vilka beskriver sambanden mellan rörets geometriska form, rörmaterialets egenskaper och aktuella maskinparametrar. 31

35 32 ρ α + α α + α = ln i i n 0 0 i i i n n i t d t d t d t K p ( ) ( ) + = i i i i i Axiell t d t t d t d p F ρ 2 α α π ( ) ( ) ( ) ( ) = < + = β β ρ om om h t d t d r l 0 0 i i d f ( ) + β = 1 0 i 0 i d d t t I uttrycken beskriver p vätsketrycket i röret, α förhållandet mellan spänningar, n är en konstant, K deformationshårdnande, d diameter, ρ radie, Axiell F axiell kraft mot rörände, f l rörets fria längd och h en sträcka. I övrigt se förklaring ovan. Figur 38. Experimentell utrustning använd under försöken. Experimentella förutsättningar Hydroformningsutrustningen styrs med ett ständigt ökande vätsketryck inne i röret ända till dess att brott erhålls. Axialtrycket följer de samband som visas ovan, så att linjära töjningsvägar erhålls. Vid brott uppmäts rörets form. Formen beskriver rörets töjning i två riktningar.

36 Rördimension: Diameter 60 mm, längd 300 mm, materialtjocklek 0.8 mm. Friformningszon: 120 mm. Smörjmedel: Iloform 180 BWN. Tabell 10Kemisk sammansättning för materialet Docol 1000 DP [ref1] C Si Mn P S N Cr Ni Cu o Al Nb V Ti B Figur 39. Materialkaraktärisering av ett material syftar till att beskriva ett materials formbarhetsgräns för olika töjningsförhållanden och materialets sanna spännings-töjningskurva för samma förhållanden. Resultat De experimentella försöken kan visas i Figur 40. Figuren beskriver materialets töjning vid brott. Fyra olika kombinationer visas. För det första resultaten erhållna från försöken med rör och hydroformning dels i kvaliteten Docol 1000 DP och dels i samma kvalitet men värmebehandlad i saltbad med en hålltid av 30 sekunder vid temperaturen 850 C. För det andra visar båda materialsorterna från försök utförda med plan plåt och användande av Nakazimametoden för bestämning av formgränsen. Författaren av föreliggande arbete har endast ägnat sig åt att undersöka formbarheten hos rör medan resultaten utförda på plan plåt är hämtade från ett arbete utfört av Björn Carlsson, SSAB Tunnplåt AB [ref1]. 33

37 I Figur 40 framgår att den plana plåten visar en generellt högre formbarhet än röret, vilket är väntat eftersom rörets återstående formbarhet måste vara lägre än den plana plåten på grund av att röret är format utgående ifrån den plana plåten. En uppskattning av erforderlig effektivtöjning för att tillverka ett rör utgående ifrån en plan plåt kan beräknas och uppskattas genom följande samband: ϕ effektiv 4 t = ln d 0 = ln Skillnaden mellan plåtens och rörets formbarhet kan bara till en liten del förklaras av detta samband. Ytterliggare en skillnad är att plåtens formgränskurva är detekterad i plåtens valsriktning medan rörets formgränskurva är uppmätt vinkelrätt mot valsriktningen. Här förutsätts att rörets valsriktning är i rörets utsträckning, vilket skall bekräftas av Corus. Tyvärr har endast den plana plåten undersökts i valsriktningen, så en jämförelse mellan plåtens formbarhet i och vinkelrätt mot valsriktningen kan ej utföras. Ur Figur 40 framgår också att den utförda värmebehandlingen klart ökar materialets formbarhet både för de undersökta rören och den undersökta plana plåten. Ytterliggare en fördel med värmebehandlingen är att svetsen får samma egenskaper som grundmaterialet. I de relativt få genomförda försöken kunde ingen skillnad visas mellan grundmaterialets och svetsens formbarhet medan för de tester som utfördes med rör som ej värmebehandlats var alltid svetsen den del av röret som visade minst formbarhet. 34

38 Estimated Forming Limit: Docol 1000 DP Sheet: Heat treatment 850 o C Tube: Heat treatment 850 o C Major true strain [-] Sheet: No heat treatment tube sheet tube (heat treatment) sheet (heat treatment) Tube: No heat treatment Minor true strain [-] Figur 40. Figuren beskriver skattad formbarhetsgräns vid brott för dels rör och dels plan plåt. Försöken är utförda med Docol 1000 DP både utan och med en värmebehandling i saltbad med en hålltid av 30 sekunder vid temperaturen 850 C. Heldragen ren linje ( ) visar formbarhetsgränsen utan värmebehandling och heldragen plusmärkt linje ( + ) formbarhetsgränsen med värmebehandling. Streckprickad blå linje visar aktuella töjningsvägar och (*) visar resultaten av gjorda försök. Slutsatser-hydroformning av rör Resultatet av undersökningen visar att en värmebehandling av Docol 1000 DP i saltbad med en hålltid av 30 sekunder vid en temperatur av 850 C ger en ökad formbarhet som kan utnyttjas för att lokalt eller för en hel detalj öka formbarheten. Den procentuella ökningen av formbarheten är 1167 % för röret och 225 % för plåten, det vill säga 5.18 gånger större för röret. Detta beror på den begränsade formbarhet som svetsen uppvisade utan värmebehandling. 35

39 SLUTSATSER De här testade UHS-materialen visar förvånansvärt goda formningsegenskaper i förhållande till sin höga hållfasthet. Formningspotentialen kan ökas ordentligt genom (lokal) värmebehandling. Både induktion, laser och IR har visat goda resultat men ytterligare arbete krävs för att värmebehandla mer komplexa former och styra sluttemperaturerna och de resulterande egenskaperna. Problem finns med formförändringarna vid värmningen, framförallt gäller detta de kallvalsade mest höghållfasta HyTens-materialen. Lokal värmebehandling visade sig även ta bort negativa effekter från spröda svetsar. 36

40 REFERENSER [ref1] Björn Carlsson, SSAB Tunnplåt AB: "Formbarhet efter värmebehandling kolstål". Delrapport 11-Vamp15-Formning av UHS. [ref2] Hanna Kallerhult, Håkan Thoors, IM: "Optimering av formbarhet hos ultrahöghållfasta rostfria stål". Delrapport 3-Vamp15-Formning av UHS. [ref3] Lars-Göran Johansson, Kanthal: "Lokal värmebehandling av UHS med IR" Delrapport 14-Vamp15-Formning av UHS. [ref4] Hans Kristoffersen, Eva Hasselström, Lars-Olof Ingemarsson, Lenny Andersson, IVF: "Värmebehandling av UHS med induktion". Delrapport 12-Vamp15-Formning av UHS. [ref5] Jozefa Zajac, IM: "Laser Annealing of Cold Rolled Sheets: A Literature Review" Delrapport 1-Vamp15-Formning av UHS. [ref6] Jozefa Zajac, IM: " Lokal värmebehandling-rekristallisation- och mjukglödgning med hjälp av laser" Delrapport 4-Vamp15-Formning av UHS. 37