Sammanfattningsrapport VAMP 15 - Formning av ultrahöghållfasta stål

Transkript

1 Delrapport 17 Sammanfattningsrapport VAMP 15 - Formning av ultrahöghållfasta stål Boel Wadman, IVF Industriforskning och utveckling AB 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 Sammanfattningsrapport VAMP 15 - Formning av ultrahöghållfasta stål Boel Wadman, IVF Industriforskning och Utveckling AB FEL! TALET KAN INTE REPRESENTERAS I ANGIVET FORMAT.-02/AA BOEL WADMAN,

3 Förord Denna delrapport beskriver arbete som utförts inom projektet VAMP 15 Formning av Ultrahöghållfasta Stål, som delfinansieras av VINNOVAs VAMPprogram. I projektet deltar följande parter: ACCRA Teknik AB, AK Konsult AB, Amada-Promecam AB, Avesta Sheffield AB, Bendiro AB, Kanthal AB, Ortic AB, Press & Plåtindustri AB, SSAB Tunnplåt AB, Scandinavian CAD AB, Ferruform AB, Volvo Personvagnar AB, Institutet för Metallforskning, IVF Industriforskning och utveckling AB, Chalmers Tekniska Högskola, Institutionen för byggnadsmekanik. FEL! TALET KAN INTE REPRESENTERAS I ANGIVET FORMAT.-02/AA BOEL WADMAN,

4 Innehållsförteckning 1 Inledning 3 2 Material Formning av UHS, bakgrund från andra källor Rullformning av UHS 5 3 Resultat från VAMP Optimering av balktvärsnitt Formning av ultrahöghållfasta stål i deras grundtillstånd Rullformning Bockning Jämförelse mellan rullformning och kantbockning U-bockning med fasta verktyg Resultat från Värmebehandling av UHS Metoder för lokal värmebehandling Induktiv värmning Värmning med IR-paneler Uppvärmning med laser Saltbad Jämförelse mellan olika värmningsmetoder Efterformning - Formning av UHS i förformat och/ellervärmebehandlat tillstånd LDH-formning Sammanfattning av lokal värmebehandling av IR och induktion Bockning efter laserbehandling Sammanfattning bockning efter laservärmning Hålkragning Sammanfattning kragning Efterformning av bockad U-profil Slutsatser av efterformning Hydroformning Slutsatser-hydroformning av rör Efterföljande processer Klippning/stansning Ekonomisk sammanfattning 36 4 SammanfattningVAMP 15 Formning av ultrahöghållfasta stål 37 5 Referenser 38 FEL! TALET KAN INTE REPRESENTERAS I ANGIVET FORMAT.-02/AA BOEL WADMAN,

5 1 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 inte egenskaper som beror av materialets elastiska egenskaper (styvhet) bibehållas utan att ändra produktutformningen. Denna rapport sammanfattar resultaten av utfört arbete i Projekt VAMP 15 - Formning av ultrahöghållfasta stål. 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 1800 MPa har undersökts. Efter en allmän bakgrund om formning av UHS är resultaten från VAMP 15 uppdelade enligt kedjan i bild 1, där den högra delen visar de olika analysmetoder samt metoder för värmebehandling och formning som undersökts i projektet. 3

6 KONSTRUKTION FORMNING AV UHS-STÅL I GRUNDTILLSTÅND Optimering av balktvärsnitt VÄRMEBEHANDLING EFTERFORMNING AV FORMADE OCH/ELLER VÄRMEBEHANDLADE UHS-STÅL Rullformning, V-bockning U-bockning Hydroformning Kragning, sträckpressning Saltbad IR + Laser + Induktion Kragning, sträckpressning Hydroformning Flänsformning Bild 1 De olika metoder av formning och värmning som studerats i projekt VAMP Material Ultrahöghållfasta stål är stål vars brottgräns överstiger 700 MPa 1. Projektet VAMP 15 har behandlat formbarheten av dessa stål i tjocklekar från 0,5 mm upp till 7 mm. Kallvalsade ultrahöghållfasta kolstål och rostfria stål har undersökts tillsammans med referensstål av lägre hållfastheter. Varmvalsade kolstål i tjocklekarna 2 och 7 mm har också studerats. Materialen presenteras mer i detalj i Delrapport 16 VAMP 15 [1]. 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 genom att martensit bildas under kalldeformationen. De ultrahöghållfasta materialens brottgräns har i projektet varierat mellan 1000 och 1800 MPa. 1 Olika definitioner används i olika länder, i USA är t ex gränsen för UHSS oftast 800 MPa. 4

7 De kallvalsade kolstålen i projektet benämns DP vilket står för Dual Phase, en blandning av ferrit och martensit. Dessa tillverkas genom kontinuerlig glödgning och släckning, vid vilken martensit bildas. Martensithalten kan även öka vid den slutliga kallvalsningen. Även för DP-stålen relateras benämningen till ungefärlig brottgräns. DP1000, DP1200 och DP1400 provades i detta projekt. I de allra mest höghållfasta varianterna är formbarheten mycket låg medan de mindre extrema varianterna kan uppvisa förvånansvärt goda formningsegenskaper. Varmvalsade kolstål uppnår sällan UHS-nivå, men ett stål med 700 MPa brottgräns ingick i detta projekt. 2.1 Formning av UHS, bakgrund från andra källor Rullformning av UHS En metod som visat sig fungera bra för att forma UHS-material är rullformning. I USA har rullformning av höghållfasta material använts länge till fordonsdetaljer som stötfångare och krockbalkar. I American Iron & Steels internetupplagda rapport [2] över tillverkning av höghållfasta stötfångare redovisas deras design- och tillverkningsråd för höghållfasta och ultrahöghållfasta stål. Några av deras råd om rullformning av UHS gäller inte generellt, men de presenteras nedan med kommentarer: Tabell 1 Råd om rullformning av UHS från American Iron & Steel Institute Kommentar efter VAMP 15-resultat från V- formning, se även Kapitlet Rullformning Använd så liten radie som möjligt (<20t )för att minska återfjädringen, men använd r/t större än 4 för att undvika brott i radien 50 % fler rullpar än vid formning av motsvarande profil i mjukt stål (beroende på geometrins komplexitet) R/t mindre än 3 gick att forma med alla provade stål upp t o m HyTens 1700 Enkla geometrier behöver färre rullpar vid formning av UHS när det gäller krökning uppåt, däremot är fler rullpar bra för att minska sidbåge och vridning av profilen Stansade hål ska inte ligga nära bockningsvinkeln om höga toleranser skall garanteras Rullarna ska ha konstant radie och jämnt fördelad överbockning mellan varje rullpar Använd inte för slanka rullverktyg, större formningskrafter behövs. Gäller inte om tjockleken på materialet minskas relativt hållfasthetsökningen. Se till att de balkdelar som ska komprimeras under efterföljande krökning inte har utsatts för stora plastiska töjningar under rullformningen. Kompression under krökning kan också leda till väggbuckling. 5

8 AISI varnar också för utböjning av balkändarna vid rullformning. De betonar också att de haft problem med stora variationer mellan olika UHS med samma hållfasthetsbeteckning. För att kunna rullforma balkar med små r/t rekommenderades även att införa en hög kompressiv last under formningen för att minska risken för brott p g a ytterfiberns förlängning. Kantbockning V-bockar AISI [2] ger rådet att låta dyna och stämpel ha samma öppningsvinkel för att minska återfjädringseffekten. Pressning Japansk industri var tidigt ute med att prova UHS och HS i bilpaneler. Hayashi m fler [3] förutsåg problem med formning av UHS p g a: 1 Mindre stabil formningsprocess med snävare processfönster 2 Galling/kallsvetsningsproblem 3 Större materialvariationer 4 Ökat verktygsunderhåll 5 Krav på högre presskrafter. På grund av den låga brottöjningen för UHS bör slutna djupdragningsverktyg (där ändflänsar och hörn formas) undvikas. Öppna verktyg där plåten viks över radierna är bättre. Återfjädring kan minskas genom olika präglingar på detaljens sidor. Vid krympflänsning rekommenderar Hayashi präglingar i sidorna för att ta upp överskottsmaterialet. Vid sträckflänsning kan man behöva klippa i kanterna för att undvika okontrollerade sprickor där materialförlängningen inte räcker till. 6

9 3 Resultat från VAMP Optimering av balktvärsnitt Eftersom E-modulen som styr ett materials styvhet inte ökar betydligt vid ökning av hållfastheten i stål, måste man optimera en balks lastupptagningsförmåga genom tvärsnittet. För att optimera balktvärsnitt med utgångspunkt från buckling från sidokrock samt vridbelastning har maximal energi samt total energiupptagningsförmåga för olika slutna fyrkantprofiler med eller utan längsgående präglingar FE-simulerats vid Chalmers institution för Byggnadsmekanik, se VAMP15 delrapporter 6 och 7 [4,5] 60 mm t h d K60-t#-stålklass PK60-h#-d#-t#-stålklass Bild 2 Studerade tvärsnitt och variabler som användes vid optimeringen av balktvärsnitt. Optimering av tvärsnitten har utgått ifrån att skapa en balk i ultrahöghållfasta stål som har lika god eller bättre lastupptagningsförmåga i tunt gods t = 0,5-0,6 mm som en referensbalk i mjukt stål med t= 1 mm. Alla undersökta tvärsnitt hade en kvadrat med diametern 60 mm som bas. Materialens som användes i beräkningarna var Docol 1400 DP samt FeP06. Lastfallen böjning [4] samt vridning och vridning/böjning [5] har analyserats genom FE-simulering i LS-DYNA 3D. I bild 3 nedan visas kombinationsfallet böjning/vridning. Bild 3. Modell av böjning/vridning som den utfördes vid FE-analysen. Symmetri A Snitt A-A x y z A 7 z

10 Kvadratiskt tvärsnitt varierande plåttjocklek och mate rial Bucklingslast/ tvärsnittsarea [N/mm2] K60_t05_mjukt K60_t10_mjukt K60_t05_doc1400 K60_t06_doc1400 Bild 4 Exempel på resultat från FE-simulering av bucklingslast för olika kvadratiska tvärsnitt. Profilerad kvadrat varierande inre livhöjd docol 1400 Bucklingslast / tvärsnittsarea [N/mm 2] 20 19, , , , ,5 15 (de två första staplarna a vse r kvadrater) K60_t05_doc1400 K60_t05833_doc1400 PK60_h10_d5_t05_doc1400 h20 h30 h40 Bild 5 Exempel på resultat från FE-simulering av bucklingslast för olika kvadratiska och profilerade tvärsnitt. Sammanfattning Bäst resultat vid böjning erhölls för en profilerad balk av DP 1400, t = 0,5 mm och parametrarna: h = 10 och d = 5 mm, se bild 2 och 5 Bäst resultat vid vridning hade en kvadratisk balk av DP 1400, t = 0,6 mm. Bäst resultat av de profilerade balkarna hade en balk av DP 1400, t = 0,6 mm och parametrarna: h = 4 och d = 3 mm Bästa resultat vid böjning/vridning hade en kvadratisk balk av DP 1400, t = 0,6 mm. Bäst resultat av de profilerade balkarna hade en balk av DP 1400, t = 0,6 mm och parametrarna: h = 36 och d = 3 mm. 8

11 3.2 Formning av ultrahöghållfasta stål i deras grundtillstånd Rullformning Enkla öppna V-balkar har formats genom rullformning i verktyg som slipats ned till olika stora radier. Geometriavvikelsen hos profiler av ultrahöghållfasta stål i kolstål och rostfritt har jämförts med profiler formade i djupdragningsstål med låg hållfasthet i samma verktyg. Rullformningen genomfördes utan efterföljande riktningssteg, för att undersöka storleken på balkarnas krökning och vridning under formningen av ultrahöghållfasta stål [6, 7, 8]. Provningarna utfördes på Bendiro i Falkenberg, med verktyg från Ortic AB. Inverkan av olika antal formningssteg, samt olika r/t (bockningsradie genom plåttjocklek) har utvärderats, se tabell 2. Tabell 2. Varierade parametrar vid rullformning Antal rullpar r/t R p0,2 plåt (MPa) R m plåt (MPa) Plåttjocklek t (mm) Minvärde 3 0, ,5 Maxvärde ,5 Uppmätning av balkarnas formriktighet utfördes med koordinatmätmaskin på IVF. Några typvärden visas i tabell 3. Resultatet var att UHS kan formas till små r/t med rullformning utan behov av speciella processknep som extra utvalsning av hörnen. 9

12 Tabell 3 Typvärden på formavvikelser för de provade materialen, rullformad V-profil med 60 graders nominell innervinkel, r/t ca 1, 600 mm provlängd. UHS kolstål DP1400 1,5 mm R p0, MPa FeP06 1,5 mm R p0,2 285 MPa UHS Rostfritt HyTens 1300, 1,5 mm R p0, MPa Mjukt 304 0,8 mm R p0,2 311 MPa Återfjädring 1,7-1,5 6,4 5,6 Längskrökning (höjdbåge) mm Vridning ( mm) av 600 mm längd Sidkrökning (mm) 1,0 1,8 1,3 2,5 0,8 1,7 0,7 0,5 0,02 0,24 0,09 0,13 Ytvågighet (mm) 0,3 0,8 0,3 1,3 UHS har naturligtvis stor återfjädring, denna ökade med ökande r/t samt ökat antal rullpar. Förklaringen till det senare resultatet är att ökat antal rullpar ger en mjukare formning med större andel elastisk töjning per steg, och därmed större chans till återfjädring. Återfjädringen kunde beräknas med enkla formler framtagna i projektet, se nedan. Ökat antal rullpar gav rakare balkar och mindre avvikelse från verktygsradien efter återfjädring. Balkkrökningen orsakades främst av hörnförkortning p g a plastisk förlängning av profilbenen. Vid rullformning med få rullpar kunde i vissa fall UHS-stål ge rakare V-profiler än mjuka stål. Då fler rullpar användes gav inte UHS rakare profiler än mjuka stål. Formriktigheten minskade med ökande radie. Detta beror främst på den ökade återfjädringen, men även på att större radier medförde en högre andel luftbockning i dessa försök. Redan vid r/t-förhållanden över 3 ökade de geometriska formfelen jämfört med för mindre radier. 10

13 Minsta r/t efter återfjädring vid rullformning 3,5 3,0 2,5 t= 0,5 mm rostfritt 2,0 t= 0,8 mm rostfritt t= 0,8 mm kolstål 1,5 t= 1,5 mm rostfritt 1,0 t= 1,5 mm kolstål 0,5 0, Sträckgräns (MPa) Bild 6 Minsta radie/tjocklek efter återfjädring som gick att rullforma till 60 graders V-profiler utan sprickor, som förhållande till plåtmaterialens sträckgräns. Överbockningsformler i förenklad form togs fram av Ortic AB i projektet [8]. Återfjädringsvinkeln ges av: (1) α= kov αi, där αi är verktygsvinkeln och kov = 1.75 (sy + su) (Ri +T) / ( E T ) där (sy + su)= materialets sträckgräns +brottgräns (MPa) R i = verktygsradie (mm) T= plåttjocklek (mm) E = Elasticitetsmodul (GPa) Formler för återfjädring stämde väl överens med resultatet för höghållfasta stål med r/t inom intervallet 1 till 3. Formler för balkkrökning p g a hörnförkortning stämde även bättre för UHS än för mjuka material. En sammanställning över resultaten vid rullformning ges i tabell 4 nedan. 11

14 Tabell 4 Effekt av olika variabler vid rullformning av öppna V-balkar med 60 graders vinkel. Röda pilar symboliserar ökad formförändring, ett streck att effekten inte var signifikant. Kolumnen rostfritt stål symboliserar skillnaden mellan kolstål och rostfritt stål av samma sträckgränsklass. Resultat r/t min Ökad Rp0,2 Ökat antal rullpar Ökad r/t Rostfritt stål - Återfjädring r/ r verktyg Höjdbåge Längsbåge Vridning Sammanfattning Rullformning är en bra metod för att forma UHS till balkar med små radier Bockning Bockning i kantpress utfördes dels hos materialleverantörerna AvestaPolarit och SSAB [9, 10, 11], där minsta möjliga r/t togs fram för 90-graders bockning samt 180 grader (sammanslag). IVF och Amada/Promecam gjorde också en provserie för att jämföra rullformning med bockning av 60 graders V-profiler [12]. Minsta radie som kunde formas utan sprickor vid dessa försök visas i bild 7. UHS-stålen gick lättare att forma till små radier då bockningen skedde tvärs plåtens valsriktning. 12

15 r/t som funktion av R p0,2 kantbockade material 4 3,5 3 2,5 2 t = 0,5 mm rostfritt t = 0,8 mm rostfritt t = 1,5 mm rostfritt 1,5 t = 0,8 mm kolstål 1 t = 1,5 mm kolstål 0, R p0,2 N/mm 2 Bild 7 Minsta radie/tjocklek efter återfjädring som gick att bocka till 60 graders V-profiler utan sprickor, som förhållande till plåtmaterialens sträckgräns. Provningar vid Amada/Promecam Jämförelse mellan rullformning och kantbockning Försök med rullformning gav för enstaka material något mindre lägsta r/tförhållande utan sprickor än för de bockade profilerna. Viktigt att påpeka är att IVFs provningar för att utvärdera skillnader mellan rullformning och kantbockning hade som utgångspunkt att göra två så likvärdiga provningar som möjligt, och däremellan jämföra återfjädring samt minsta radie. En systematisk ökning av radie/öppningsvinkel för att erhålla hela bockar utfördes inte. Därför saknas uppgifter på minsta möjliga bockningsradie från flera material, som inte kunde luftbockas med liknande radier som vid rullformningen. Alla provningar i VAMP 15 gav mindre r/t än materialleverantörernas rekommendationer, vilka alltså fungerar (är konservativa) för de aktuella fallen, se tabell 5. Återfjädringen var svår att jämföra mellan metoderna, eftersom rullformningen sker i flera steg. Om rullformning med 4 rullpar jämfördes med bockning, var skillnaden som i bild 8. 13

16 90 Jämförelse mellan vinkel efter återfjädring för V-profiler tillverkade genom kantbockning (streckade linjer) och rullformning med fyra rullpar, minsta möjliga r/t RF 0,5 mm rostfritt RF 0,8 mm rostfritt RF 0,8 mm kolstål RF 1,5 mm kolstål RF 1,5 mm rostfritt KB 0,8 mm rostfritt KB 0,5 mm rostfritt KB 1,5 mm rostfritt KB 0,8 mm kolstål KB 1,5 mm kolstål Sträckgräns (MPa) Bild 8 Skillnad i innervinkel efter återfjädring för rullformning och kantbockning. Tabell 5 Minsta rekommenderade bockningsradie jämfört med värden från bocknings- och rullformningsförsöken i VAMP 15. Material Minsta rekommenderade Minsta radie efter Minsta radie efter Minsta radie efter återfjädring vid bockningsradie återfjädring vid återfjädring vid rullformningsförsök SSAB/AvestaPolarit bockningsförsök bocknings- i VAMP bockningsvinkel 90 i VAMP försök i VAMP 15, 120 graders grader 15, 90 graders bockning 15, 120 graders bockning bockning DC06/FeP06: 0 t (alla 1,5 t 0,3-0,6 t Docol 1000 DP: Docol 1400 DP: plåttjocklekar) 3 t (alla tjocklekar) 4 t (alla tjocklekar) 1,3 t 1,1 t 0,6-1,1 t 1,9 t Inga godtagbara prover 14 0,6-1,1 t HyTens ,5 t 1,4 t 0,9 t HyTens ,5-3 t 0,9 1,5 t 1,0-1,1 t HyTens t 1,2 t 0,9 t HyTens t 0,8 2 t 0,7 1,9 t HyTens t 3,4 t 2,9 t

17 3.3 U-bockning med fasta verktyg Det finns stor potential till viktminskning om varmvalsade material med högre hållfasthet och tunnare gods kan användas i lastbärande komponenter i t ex lastbilsindustrin. Vanliga godstjocklekar för balkar är där 2-10 mm. En studie över vilka krav som ställs på verktygsgeometri och presskraft vid formning av ultrahöghållfasta Domex-material gjordes på Ferruform AB [13]. Typdetaljen som användes vid försöken var en tvärbalk med svängd sida, se bild 9. Bild 9 Provad detalj i 7 mm varmvalsat stål. Produktionsverktyg för balken avpassade till ett RAES 260-material modifierades med större utformning av hörn och balkrygg, för att kompensera för större återfjädring. Två material med högre hållfasthet, Domex 420 och Domex 700 MC, formades i verktyg med två nivåer av ökad utformning. De pressade balkarnas kvalitet utvärderades vid två presstillfällen, och formriktigheten för utvalda balkar mättes med koordinatmätmaskin. Sammanfattning U-bockning Återfjädringen gick att kompensera genom moderata bomberingar och överformade hörn, se tabell 6 och bild 10. Däremot hade balkens svängda sida en så stor töjning, att Domex 700 inte kunde formas med konventionellt stansade plåtämnen. Domex 420 gick att forma utan sprickor även i den svängda delen. Laserskurna och slipade plåtkanter gav godkända profiler av Domex 700 MC. En presskraftsänkning med 14 % från 350 ton till 300 ton resulterade i att balkar i Domex 700 inte kunde pressas ut helt, och fick något minskad planhet. Balkar av lägre hållfastheter påverkades inte av denna presskraftminskning. 15

18 Tabell 6 Effekt av ökad utformning p g a modifierade verktyg. Verktyg 2 Verktyg 3 Ökad töjning p g a verktygsmodifiering Tvärs 0,2 %* Längs 0,001 %* Tvärs: 0,2 %* Längs: 0,005%* Resultat Domex 420, R m min 480 MPa Viss konkavitet Återfjädring ca 1 grad Viss oplanhet Pilhöjd ca 1 mm Konvex, prägling i hörnen Återfjädring ca 0,4 grad Ökad oplanhet Pilhöjd ca 2,5 mm Resultat Domex 700, R m 778 MPa För konkav Återfjädring ca 1 grad Ökad oplanhet Pilhöjd ca 5 mm OK Återfjädring ca 0,5-1 grad Minskad oplanhet pilhöjd < 1 mm *Den ökade töjningen är beräknad över hela balklängden i längsledd, men enbart över hörnets mm i tvärsledd, därav den stora skillnaden. 6 6 mm Mätning av formavvikelser Planavvikelse Avvikelse plan (mm) mm 2 1 Verktyg 1 Verktyg 2 Verktyg 3 Medelvinkel Bild ,00-0,20-0,40-0,60-0,80-1,00-1,20-1,40-1,60-1,80-2,00 ref T Verktyg T T T Plåt Verktyg 2 Plåt T TS Effekt av olika verktygsmodifieringar på formavvikelsen hos U-balkar av 7 mm varmvalsad plåt. Pilarna mellan diagrammen markerar balkar av Domex 700 MC, övriga är Domex 420. Överst visas balkryggens oplanhet (pilhöjd mot plan yta), nederst visas återfjädringen (negativ siffra betyder återfjädring utåt) TL Vinkelfel 1 Vinkelfel verktyg 2 Verktyg 3 Vinkelfel verktyg S DOMEX 700 MC 16

19 3.4 Resultat från Värmebehandling av UHS Ett sätt att använda ultrahöghållfasta stål är att lokalt mjuka upp de delar som behöver formas genom en glödgningsoperation. I en första del av projektet utfördes en litteraturstudie och experimentell förstudie för att utröna effekten av värmebehandlingar av UHS-material, både kolstål och rostfritt [14, 9, 10, 11]. I förstudien användes saltbad eftersom denna process ger snabba uppvärmningsförlopp där temperaturen kan styras med hög noggrannhet. Hela provkropparna värmdes för att bestämma materialens respons på värmebehandling. Resultaten från förstudien visade vilken effekt värmebehandlingens tid och temperatur hade på intressanta egenskaper som dragprovkurva och formbarhet vid kragning och sträckpressning. Det visade sig behövas temperaturer över 700 grader för att få markant ökade förlängningsvärden. Temperaturer som gav stor effekt på förlängningen visas i bilderna nedan. Domex 700 behövde längre värmning (i rörugn) för att uppnå minskad hållfasthet, högre temperaturer behövdes för att få höga förlängningsvärden. I bild visas dragprovkurvor för två material efter värmebehandling i saltbad med olika temperaturer. Teknologisk spänning [MPa] Material: HyTens1700 obehandlad 800 C 870 C 1000 C 1050 C % 10% 20% 30% 40% 50% Brottförlängning, A80 Bild 11 Materialegenskaper (dragprovkurva) för olika värmningstemperaturer av HyTens

20 DP grader DP grader DP 1000 ref DP 1400 ref DP1400-leveranstillstånd Teknologisk spänning [MPa] DP1000-leveranstillstånd DP1000-VB DP1400-VB Teknologisk töjning [%] Bild 12 Materialegenskaper (FGK och dragprovkurva) för UHS kolstål efter värmebehandling i 850 grader. Efter värmebehandlingen sammanfaller de två värmebehandlade materialens dragprovkurvor. 18

21 Hållfastheten i den uppvärmda zonen sjunker i motsvarande grad, och för kolstål kvarstår hållfasthetsnivån i stort sett även efter formning. Rostfria austenitiska stål kan i större grad deformationshärdas upp till en högre nivå i den nyformade zonen. Hållfastheten blir då beroende av den lokala deformationsgraden och svaga zoner i närheten av denna kan uppstå. Risken för detta kan minimeras om enbart en mycket snäv zon kring bocknings-deformationslinjen värms upp. I detta projekt var tanken att bara lokalt värmebehandla det material som utsätts för stora töjningar vid efterföljande formning där risk för brott eller defekta slutprodukter annars föreligger. I nästa projektsteg när temperaturerna valts ut, värmdes därför plåtar samt delar av formade balkar med olika metoder före efterformning (se nedan). Under värmningsförsöken mättes hårdheten för att kontrollera att den utprovade hållfastheten uppnåddes, se tabell 7. Tabell 7 Riktvärden för temperatur och hårdhet HV0,5 att uppnå under lokal värmebehandling av olika material. Material Temperatur Hårdhet Utgångshårdhet HyTens 1200 max HyTens HyTens 1700 max HyTens AISI Docol 1000 DP Docol 1400 DP Härdat borstål (Accra) HV HV10 Domex 700 MC s/4 min 170/ HV5 Inland M HV10 HV5 383 HV10 Vissa undersökningar av materialens struktur gjordes efter värmebehandlingarna, se tabell 8. Generellt ändrades hållfastheten i materialen genom att delar av den hårda martensiten omvandlades till mjuka, mer lättdeformerade faser. 19

22 Tabell 8 Struktur- och hållfasthetsförändringar av värmebehandlade UHS. Material T* Effekt på materialstrukturen R p0,2 HV 0,5 [9, 17] HyTens 1700 RT Martensit och austenit, som kan deftransformeras till martensit HyTens Anlöpt martensit, färre dislokationer i austeniten, gör det svårare att bilda martensit, men viss återbildning av martensit sker ändå HyTens Rekristallisation, martensit omvandlas till austenit HyTens Fullständig rekristallisation DOCOL 1400 DP RT Martensit och ferrit, ca 100 % martensit 1306 [10] DOCOL 1400 DP 500 Anlöpt martensit ca 1180 [10] DOCOL 1400 DP 850 Rekristallisering av martensit till ferrit, ca 40 % martensit, förfining av martensitstrukturen, små ferritkorn 545 [10] Metoder för lokal värmebehandling Försök gjordes med fyra olika värmningsmetoder att i valda zoner uppnå de riktvärden på hårdhet som erhölls under förstudien. En sådan värmebehandling skulle i ett verkligt scenario kunna utföras då detaljens grundform i princip är färdig till exempel för att göra en mindre prägling eller utföra en kragning, bocka en balkform eller stuka till en balkände för att skapa en fogyta mot ett annat element. Formningen ska utföras med material som kallnat efter den lokala värmebehandlingen, vilket gör att värmebehandling och formning kan ske vid olika tillfällen. De metoder som användes i VAMP 15 för att värma material som sedan formades var: 1-värmning med IR-paneler [15], 2-värmning med induktionselement [16], 3-värmning med laser [17] och 4-värmning i saltbad [9, 10, 11]. Metoderna kommer kort att beskrivas och försöken finns i detalj beskrivna i ovan nämnda referenser, text från metodbeskrivningen är i stort utdrag ur Delrapport 15 [18]. I tabell 9 sammanfattas några av metodernas egenskaper ur produktionssynpunkt. 20

23 Det konstaterades att formförändringar under den lokala uppvärmningen gav problem. Även ytproblem uppstår, främst för kolstål. Fortfarande behöver lokal värmebehandling utvecklas för att kunna införas i stor industriell skala. Lokal värmebehandling av andra material används redan idag för t ex relaxation mellan formningssteg och för att undvika återfjädring 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, dvs avstånd mellan induktor och plåt, användes en keramisk platta som mothåll på baksidan av plåten, se bild 13. Bild 13 Induktiv strålare med hållare för testplåt och keramisk platta som mothåll. Induktion användes för LDH-provning där testytan skulle vara en rondell med diametern

24 3.5.2 Värmning med IR-paneler IR-strålaren bestod av ett värmeelement monterat i en avrundat zigzagformad slinga 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. Med påsvetsade termoelement på plåtarna bestämdes värmningstiderna experimentellt för att uppnå måltemperaturerna. Vid värmningen hölls plåtarna med en polygriptång i läge mellan strålaren och motstrålaren under den tid som krävdes för att uppnå beslutad temperatur, se bild 14 nedan. IR-värmning användes för LDH-provning där testytan skulle vara en rondell med diametern 80. Bild 14 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 uppvärmningsoch svalningshastighet) bestäms av värmeledningsförmågan samt plåttjockleken. 22

25 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 (1,064 µm) 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, se bild 15. Genom en speciell optik formades laserstrålen till rektangulär form, 5,5 x 5,5 mm. Laserbehandlingarnas effekt på formbarheten testades på raka spår där materialet bockades. Bild 15 Laservärmning av linje, där omgivande plåt hålls av backar Saltbad Värmning i saltbad är en bra metod för att få homogen värmning i en exakt temperatur över hela komponentytan. Ytan på komponenten utsätts inte heller för luft under värmningen, men måste tvättas från det korrosiva saltet efter behandlingen. Kylningen skedde vid dessa försök ofta i rumstempererat oljebad, med en mellanperiod i luft under transporttiden (ca 10 s mellan salt- och vattenkylning). För efterformningsförsöken doppades ändar av bockade balkar ned i saltbad, för att värma enbart de delar som skulle formas. I dessa försök kyldes kolstålen genom luftsvalning, medan de rostfria stålen kyldes i olja. 23

26 3.5.5 Jämförelse mellan olika värmningsmetoder Tabell 9 ger några aspekter på de använda metoderna för lokal värmebehandling. Tabell 9 Egenskaper hos värmningsmetoder i VAMP15 IR Induktion Laser Saltbad Möjlig värmd geometri Fyrkantiga ytor Linjer ned till cmbredd, ytor med valfri form Bäst för linjevärmning, bredd beror på lasereffekten. Hela eller ytterändar av detaljer Stora ytor fungerar mindre bra, då tidigare värmt material påverkar temperaturjämnheten. Värmd del av plåten Ytan på visst avstånd från IR-element eller reflektor, Hela elektriskt ledande materialet på visst avstånd från induktorn Genomglödgning från ena ytan på visst avstånd från laserkällans fokus. Hela ytan T i plåten beroende av Ytbehandling, ytoxid, avstånd till element och reflektor, värmningstid Avstånd till induktor, elektrisk ledningsförmåga, värmningstid Laserstrålens effekt och hastighet, ytans absorptionsförmåga för laservåglängden (Ev. ytoxid, ytbehandling) omgivande materialets värmeledningsförmåga Jämnheten på saltbadets T (oftast hög om omrörning) Lämplig fixtur för kontroll av plåtdeformation under värmning Fixtur som styr avståndet till element/reflektor, och inte stör värmeupptagningen Fixtur som styr avståndet till induktorn, men inte är i vägen för induktorn Fixtur som ej stör strålgången och håller plåten på rätt avstånd från laserkällan Behövs ej för jämn värmning Värmningstid provad i projektet s s 0,5-1 s interaktionstid mm/ min 14 s, 30 s 24

27 3.6 Efterformning - Formning av UHS i förformat och/eller värmebehandlat tillstånd Denna delaktivitet behandlade formning efter lokal värmebehandling. Vissa utvalda höghållfasta stål som ingått i projektet har detaljstuderats. Formbarheten utvärderades med hålkragning och ett modifierat Erichsen-prov, samt i vissa fall bockning, DP1000-materialet formades till rör, som sedan hydroformades både med och utan värmebehandling. Dessutom utfördes tillplattning av bockade hattbalkar i tre olika steg. Tabell 10 ger en sammanfattning av vilka formningsmetoder, värmningsmetoder och material som ingick i studien. I Delrapport 15 [18] är försöken beskrivna i detalj, nedan görs en kort sammanfattning av de viktigaste resultaten ur produktionssynpunkt. Tabell 10 Sammanfattning av formning av lokalt värmda UHS i VAMP15 Formningsmetod Material Värmningsmetoder Effekt av lokal värmebehandling LDH (modifierad Erichsen) HyTens 1200 HyTens 1700 Docol 1000 DP Docol 1400 DP IR Induktion Saltbad Ökning av LDH med % (IR, Ind, bild 18 ) % saltbad Bockning HyTens 1200 HyTens 1700 Docol 1000 DP Docol 1400 DP Hålkragning HyTens 1200 HyTens 1700 Docol 1000 DP Docol 1400 DP Laser Saltbad Saltbad Möjlig 180-graders bock med r = 0 x t för värmda UHS, bild 19 Låg effekt på stansade hål med grader, tabell 13 Tillplattning av hattprofil HyTens 1000 HyTens 1600 Docol 1000 DP Docol 1400 DP Saltbad Värmebehandling medgav svårare formning, tabell 14 Hydroformning (expansion av rör) Docol 1000 DP Saltbad Värmebehandling ökade svetsens och rörets formbarhet avsevärt, bild 25 25

28 3.6.1 LDH-formning 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 (rektangulär) för en IR-värmd detalj i förhållande till provstorleken för LDH-testning (cirkeln i centrum). Bild 16 Form hos värmebehandlad zon för IR-proven i förhållande till provrondellen. I detta försök ingick fyra olika material som redovisas i tabell 11 nedan. Förstudiens riktvärden på hårdheter att uppnå efter värmebehandling framgår också av tabellen [18] Sammanfattning av lokal värmebehandling av IR och induktion Stor deformation uppkom vid värmningen i form av en bestående bula mitt i den behandlade zonen. Rostfritt material, fick störst deformation. Detta kan förklaras av tunnare plåtmaterial samt materialets lägre värmeledningsförmåga och höga värmeutvidgningskoefficient. Deformationen var även större för material med högre kallvalsningsgrad. Eftersom plåttemperaturen beror på avståndet mellan plåt och värmekälla måste deformationen kontrolleras under värmningen. Stora plåtdeformationer kan även ge problem vid efterföljande formningssteg. Det gick utmärkt att använda induktion och IR-värmning för att öka LDH-höjden för UHS-stål. För rostfritt HyTens behövdes sen fullständig glödgning upp till 1050 º C för att få stora ökningar i kopphöjd, se bild Vid värmning till 800 ºC ökade HyTens-materialens LDH mer för material värmt i saltbad än med IR och induktion. Detta kan möjligen förklaras av att zonen med jämn temperaturprofil i de senare metoderna var något mindre än LDH-ämnesstorleken. 26

29 Tabell 11 Uppmätta temperaturer och hårdheter vid lokal värmebehandling av LDH-prov. (1) Temperaturen styrs med tiden vid konstant strålning, (2) Medelhårdhet i homogen behandlad zon (3) Ur Delrapport 14 [16] Material tjocklek [mm] Riktvärde hårdhet temp/tid, induktion Hårdhet (3), induktion tid (1), IR Hårdhet, IR (2) HyTens / HyTens / HyTens / HyTens / Docol / DP Docol 1400 DP / obehandlad T1=800ºC eller 850ºC 1050ºC Bild 17 Resultat av LDH-test på IR-värmda rondeller. Övre raden: HyTens1200, mellanraden: HyTens1700, nederst: DP

30 140% 120% 800 C 1050 C 100% 80% 60% 40% 20% 0% HT1700salt HT1700ind HT1700IR HT1200salt HT1200ind HT1200IR DP1400salt DP1400ind DP1400IR DP1000salt DP1000ind DP1000IR Bild 18 Relativ ökning av maximal kopphöjd efter värmebehandling Bockning efter laserbehandling Bockningsprov har utförts på SSAB av plåtar som laserbehandlats i bockningslinjen med IMs Nd:YAG-laser. Tabell 12 visar effekten av lokal värmebehandling på bockning med 1 mm kniv till 120 grader, samt hopslagning till 180 grader. Tabell 12 Testade variant av bockprover. Material Laservärmning Värmebehandling laser Effekt W Hårdhet HV0.5 Förstudie Hopslag -ning satlbad Draghastighet mm/min Hopslagning Riktvärde hårdhet Hopslagning obeh. HyTens W Ja 240 Ej testat Nej, 90 grader HyTens W Ja 355 Ej testat Nej, 90 grader HyTens W Ja 335 Ej testat Nej, 90 grader Docol 1000 DP Docol 1400 DP HyTens W Ja 197 Ja Ja, r= 1 mm 1 300W Ja, större radie "smal" 140W 800 Nej, 90 linje grader 205 Ja Ja, r= 1,5-2,5 mm 355 Ej testat Nej, 90 grader 28

31 Det gick bra att bocka alla värmda material till sammanslagning med mycket liten innerradie, i alla fall utom DP1400 till motsvarande 0 x t innerradie. HyTens 1700 som laservärmdes med mycket smal zon vid lägre T, kunde endast bockas till 90 grader, men med mycket skarp innerradie, se bild 19. Bild 19 Samtliga lokalt laservärmda och kantbockade prover A-HyTens1700 B-HyTens1700 C-HyTens1200 D-Docol 1000 DP E-Docol 1400 DP F-HyTens1700-smal zon, klarar inte hopslagning Sammanfattning bockning efter laservärmning Det gick utmärkt att värma bockningslinjer UHS med laser, så att möjligheten att bocka förbättrades i alla UHS Hålkragning Hålkragning utfördes i tre serier: på rostfritt material med stansade och borrade/avgradade hål, samt på kolstål med stansade hål. Det rostfria materialet med stansade hål gick inte bättre att kraga trots värmebehandling, vilket ansågs bero på kalldeformation och grader vid den icke anpassade hålstansningen. När hålen borrades erhölls en klar förbättring av kragbarheten, med D/Do= 1,92 för HyTens 1200, även obehandlat. Kolstål med stansade hål erhöll en viss förbättring med värmebehandling, se tabell 13. Tabell 13 Resultat av kragning [10]. Material Värme- D/D 0 grad mot D/D 0 grad mot Kommentar behandlat stämpel stämpel Docol 1000 DP Nej Docol 1000 DP Ja Docol 1400 DP Nej X X spricker i radien Docol 1400 DP Ja

32 3.6.6 Sammanfattning kragning Kragbarhet för UHS-material är mycket beroende av klippkantens kvalitet. Lokal värmebehandling kan öka processfönstret något Efterformning av bockad U-profil För att undersöka hur mycket återstående deformation som formade balkar kan klara, utfördes tillplattning av balkändar vid Press o Plåt i Oskarshamn. Formningen gjordes i tre olika svårighetsgrader, se bild 20-21: 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. Testserien visar på tydliga skillnader i formbarhet dels mellan materialen, dels mellan obehandlat och värmebehandlat material. Kallformning fungerade bra för rostfria UHS med sträckgränser upp till 781 MPa, medan för högre hållfastheter en lokal värmebehandling av den formade balken behövdes före efterformning. 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, se bild 21. Bild 20 Verktyg utvecklade för tillplattning av bockade hattprofiler. 30

33 Bild 21 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. Bild 22 och 23 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. 31

34 kallvalsatbockat kalldeformerat i vägg position 1 HV kallvalsat VB-800 C kalldeformerat i vägg position VB-1050 C Historik 0 Bild 22 Utvecklingen av hårdheten (hållfastheten) hos HyTens1000 då materialet bockas, värmebehandlas och sedan kalldeformeras i olika grad på olika positioner i profilen. Bild 23 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. 32

35 Resultaten av alla formningarna redovisas nedan i tabell 14. Tabell 14 Sammanställning av tillplattning av hattprofilände; - ej testad; gul - godkänd; röd - brott; ob obehandlad. Lättast Formningstyp 15 två steg 33 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 efterformning 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 1050 C 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 830º C går alla tre formningarna bra Hydroformning Hydroformning av rör av UHS har utförts på Volvo Cars Body Components i Olofström. Rör av Docol 1000 DP formades och svetsades på CORUS genom Soutube-metoden (patenterad av Soudronics). Rören bockas samman och lasersvetsas i ett flöde. Metoden är fortfarande i utvecklingsstadiet för material med extra hög hållfasthet, och problem uppstod till en början med formriktighet och svetskvalitet. Rör hydroformades dels i grundtillståndet, dels i värmebehandlat tillstånd, där hela röret värmebehandlades i saltbad med en hålltid av 30 sekunder vid en temperatur av 850 C. Formbarheten utvärderades genom expansion av rörets mittendel genom innertryck.

36 Fem tester utfördes med obehandlat och tio tester med värmebehandlat Docol 1000 DP. Fördelningen av försöken med 5 till 10 beror på att svetsens kvalitet styr formbarheten hos röret, dvs svetsen var alltid den svagaste linjen och medförde brott mitt i svetsen eller i den värmepåverkade zonen. Därför valdes att göra fler försök med värmebehandlat material. Bild 24. Bilden 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. Rördimension: Diameter 60 mm, längd 300 mm, materialtjocklek 0.8 mm. Friformningszon: 120 mm. Smörjmedel: Iloform 180 BWN Bild 25 visar resultat från hydroformningsförsöken Slutsatser-hydroformning av rör Resultatet av undersökningen visar att värmebehandling av Docol 1000 DP 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. Förbättringens storlek beror på den begränsade formbarhet som svetsen uppvisade utan värmebehandling. 34

37 Estimated Forming Limit: Docol 1000 DP Sheet: Heat treatment 850 o C Tube: Heat treatment 850 o C ] [- in e stra ru r t M ajo Sheet: No heat treatment tube sheet tube (heat treatment) sheet (heat treatment) Bild 25 Tube: No heat treatment Minor true strain [-] Bilden 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. 3.7 Efterföljande processer Klippning/stansning En litteraturstudie av klippning/stansning av UHS ingår också i projektet. Rostfria stål Spelet mellan klippstålen är en viktig parameter (ref 1). För 304/316 används ett spel på 10% av plåttjockleken. Detta gäller både för konventionellt material och hårdvalsat. Duplexa stål (2205), som inte ingått i VAMP15, kräver en något större klippspalt. För skärning av dessa båda grupper gäller % för 304/316 och % för de duplexa stålen. Verktygsslitaget ökar för de duplexa stålen, speciellt för

38 Klipp- och skärverktyg som används är av härdade stål med en hårdhet på HRC. Hårdare material flisas ur medan mjukare snabbt blir slöa. Kolstål Här har SSAB gett ut två broschyrer [20, 21] som på ett bra sätt ger praktiska tips om hur klippspalt och klippvinkel ska varieras i förhållande till ökad sträckgräns och hur klippkraften påverkas av hållfasthet, klippvinkel och plåttjocklek. Både klippspalt och klippvinkel ska ökas då sträckgränsen stiger. Klippspalten ligger nära 6 % för mjukt stål medan den ökas till c:a 10 % för UHS. Klippkrafterna stiger bara svagt då man byter till mera höghållfast material och kan man minska plåttjockleken minskas krafterna avsevärt. Verktygsslitaget ökar något för mer höghållfast material och måste slipas om oftare. Klippgraderna kan ha stor inverkan på t. ex. bockningsresultatet (kantbristningar) och bör därför vändas mot bockens insida eller slipas bort. Blankzonen kan också ge upphov till kantbristningar och bör därför inte överstiga 1/3 av plåttjockleken. Klippspalten har också stor betydelse vid stansning. Här kan kraftbehovet minskas avsevärt med en fasad stans jämfört med en med helt plan ändyta. Uddeholm Tooling har också gjort en studie på stansning av UHS [22] DP800 och DP1400. Studien inriktades på att ta fram verktyg av lämpliga material, hårdhetsnivåer och ytbeläggningar. Klippspaltens betydelse undersöktes också. Resultaten av studien är i korthet: Utmattningsegenskaperna hos verktygsmaterialet blir mycket betydelsefulla för att undvika urflisningar. PM-stål gav därför bra resultat. Gradbildningen var ett mindre problem för de mer höghållfasta materialen. Galling är också ett mindre problem för UHS. Beläggning minskade inte förslitningen vid stansning av DP1400. Även studier hos IUC i Olofström [23] bekräftar att 10-12% spel ger avsevärt mindre gradbildning än 5% Ekonomisk sammanfattning Volvo har utfört en COST-studie som visar att det är ekonomisk lönsamt att rullforma balkar av UHS, jämfört med presshärdning upp till motsvarande hållfasthetsnivåer. 36

39 4 SammanfattningVAMP 15 Formning av ultrahöghållfasta stål UHS går utmärkt att använda för tillverkning av balkkonstruktioner, då formbarheten vid bockning är tillräckligt hög för vanliga konstruktionselement. Optimering av energiupptagningen hos tunnväggiga balktvärsnitt med och utan profileringar har gjorts för UHS kolstål jämfört med referensstål av lägre hållfasthet. För böjning fungerade ett profilerat tvärsnitt bäst, medan för vridning och böjning/vridning ett kvadratiskt tvärsnitt hade större energiupptagningsförmåga. Rekommendationer för minsta bockningsradie har tagits fram, och typfall av rullformning och kantbockning har visat att ännu mindre radier kan formas av UHS-stål. Med rätt verktygskonstruktioner som minskar återfjädringen kan formriktiga U-och V-balkar formas av tunna kallvalsade plåtar, samt formriktiga U-balkar av 7 mm varmvalsat UHS. Genom värmebehandling över 800 kan formbarheten öka hos UHS, m a p bockning, sträckpressning, efterformning av bockad U-balk och rörexpansion. IR, Induktion och laser fungerar bra för olika typer av lokal värmebehandling av UHS. Viktigt att arbeta vidare med är fixturer och temperaturmätning under värmningen, och att göra värmningsmetoderna produktiva i större skala. Klippkanternas kvalitet vad gäller sprickinitieringspunkter är av ökad vikt vid formning av UHS-stål, både kall- och varmvalsade. 37

40 5 Referenser [1] Delrapport 16 VAMP15: Materialsammanfattning VAMP15, Håkan Thoors, IM, [2] Steel Bumper Systems for Passenger Cars and Light Trucks, Revision Number One, January 17, 2001, American Iron & Steel Institute, Washington, D.C. [3] H. Hayashi, IDDRG WG 1994, Lissabon. [4] Delrapport 6 VAMP15: Optimering av slutet balktvärsnitt i ultrahöghållfast stålplåt utsatt för böjning, Ulrika Wendt, Chalmers, [5] Delrapport 7 VAMP15: Optimering av balktvärsnitt i ultrahöghållfast stål Vridning och böjning, Olof Hallström, Chalmers, [6] Delrapport 2 VAMP15: Rullformning av höghållfasta stål, Lars Ingvarsson, ORTIC AB, [7] Delrapport 8 VAMP15: Rullformning, Boel Wadman, IVF, Lars-Olof Ingemarsson, IVF, Lars Ingvarsson, ORTIC AB, [8] Delrapport 5 VAMP15: Förenklad teori för rullformning av elementär V- profil, jämförelse mellan normalt och höghållfast stål, Lars Ingvarsson, ORTIC AB, [9] Delrapport 3 VAMP15: Optimering av formbarhet hos ultrahöghållfasta rostfria stål, Håkan Thoors, IM, Hanna Kallerhult, IM, [10] Delrapport 11 VAMP15: Formbarhet efter värmebehandling kolstål, Björn Carlsson, SSAB Tunnplåt AB, [11] Delrapport 13 VAMP15: Formbarhet hos värmebehandlat varmvalsat kolstål, Jan-Olof Olsson, SSAB Tunnplåt AB, [12] Delrapport 10 VAMP15: Kantbockning, Lars-Olof Ingemarsson, IVF, [13] Delrapport 9 VAMP15: U-bockning, Boel Wadman, IVF, [14] Delrapport 1 VAMP15: Laser annealing of cold rolled sheets: a literature review, Jozefa Zajac, IM, [15] Delrapport 14 VAMP15: Lokal värmebehandling av UHS med IR, Lars- Göran Johansson, Kanthal AB, [16] Delrapport 12 VAMP15: Lokal värmebehandling av UHS med induktion, Hans Kristoffersen, IVF, Eva Hasselström, IVF, Lars-Olof Ingemarsson, IVF, Lenny Andersson, IVF,