Lokal värmebehandling av UHS med induktion

Delrapport 12 Lokal värmebehandling av UHS med induktion Hans Kristoffersen, IVF Industriforskning och utveckling AB Eva Hasselström, IVF Industriforskning och utveckling AB Lars-Olof Ingemarsson IVF Industriforskning och utveckling AB Lenny Andersson, IVF Industriforskning och utveckling AB 2002-02-07 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

Lokal värmebehandling av UHS med induktion Hans Kristoffersen, Eva Hasselström, Lars-Olof Ingemarsson Lenny Andersson

Förord Denna delrapport beskriver arbete utfört inom projektet VAMP 15- Formning av Ultrahöghållfasta Stål, som delfinansieras inom NUTEKS VAMP-program. 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, Scania Chassikomponenter, Volvo Personvagnar AB, Institutet för Metallforskning, IVF Industriforskning och utveckling AB, Chalmers Tekniska Högskola, Institutionen för byggnadsmekanik. Delrapporten behandlar induktiv värmning av UHS-plåt som ingick i aktiviteten 10.2 Lokal Värmebehandling. I denna aktivitet har EFD Induction AB bidragit genom utlåning av utrustning samt med synpunkter på värmningens genomförande. Inom denna del av projektet har Hans Kristoffersen, Lenny Andersson, Eva Hasselström och Lars-Olof Ingemarsson från IVF deltagit.

Innehållsförteckning Inledning 4 Material 5 Försökens utförande 6 Börvärden på temperatur och önskad hårdhet 8 Resultat 9 Hårdhetsprofiler i värmda zonen 10 Deformation efter värmning 14 Diskussion och slutsatser 16

Sammanfattning Lokal värmebehandling genom induktion har utförts på plåtmaterialen AISI 301 och Docol DP, båda materialen av s k UHS-typ. Detta med syfte att förbättra materialens formbarhet lokalt. Plåtarna som värmdes var 300x300 mm och den värmda zonen var cirkulär med ca 50 mm i diameter. Plåtarnas tjocklek var fallen 0,5 mm för AISI 301 och 0,8 mm Docol DP. Vid induktionsvärmningen valdes processparametrarna så att sluttemperaturen motsvarade en temperatur som tidigare provats genom värmning i saltbad och som givit god formbarhet. Som utvärderingskriteria efter den induktiva värmningen användes hårdhetsvärden. Den erhållna hårdheten efter induktiv värmning skulle således motsvara den som erhölls efter värmning i saltbad vid motsvarande temperatur. De hårdhetsvärden som erhölls efter induktiv värmning motsvarade också ganska väl de som fåtts efter värmningen i saltbad. Detta talar starkt för att det är fullt möjligt att använda värmning med induktionsmetoden för att lokalt förbättra formbarhet i UHS-material. De avvikelser som erhölls kan förklaras av det faktum att vid induktiv värmning kommer materialet att befinnas sig kortare tid vid hög temperatur än vad blir fallet vid värmning i saltbad. Vidare så är mekanismerna troligen olika för hur hållfasthetsförändringen sker i Docol-materialet jämfört med AISI 301-materialet. Detta betyder att då man värmer lokalt t ex med induktion behöver processparametrarna anpassas för den valda värmningsmetoden, beroende på hur temperaturförloppet ser ut, och för det valda materialet. Det konstaterades också att de värmda plåtarna i båda materialsorterna erhöll relativt stora deformationer efter värmningen. Detta är fullt naturligt eftersom den höga initiala hållfastheten bl a är ett resultat deformation (valsning) i kallt tillstånd vilket då också bygger in restspänningar som löses ut vid en lokal värmning. Om lokal värmning skall införas industriellt behöver metoder och utrustning utvecklas så att deformationen sker under kontrollerade former. 3

Inledning Tillverkning av komponenter, t ex genom rullformning, i ultrahållfast stålplåt, UHS, är ett attraktivt alternativ för att framställa produkter där t ex vikten minskats eller mekaniska prestanda höjts, jämfört med motsvarande i konventionell stålplåt. Det är i vissa fall ett krav att sådana komponenter, efter den globala formningen, skall ges vissa lokala geometriförändringar t ex genom stansning, prägling eller flänsning. Dessa operationer ger lokalt stora deformationer vilket innebär att de är mycket svåra att utföra på UHS-material på grund av dessa materials höga sträckgränser. Genom att värmebehandla materialet lokalt är det möjligt att i det aktuella området sänka materialets sträckgräns genom en kombination av avspänningsglödgning och omvandling av mikrostrukturen. En möjlig metod att tillämpa för en lokal värmebehandling är att använda 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. 4

Material I försöken värmdes två olika ståltyper, AISI 301 och Docol DP. AISI 301 är ett austenitiskt rostfritt stål som deformationshårdnar kraftigt och som därmed medger framställning av ultrahöghållfast plåtkvaliteter genom kallvalsning. Två olika hållfasthetsklasser studerades, 301-1000 och 301-1500 se Tabell 1 och Tabell 2 för kemisk sammansättning och mekaniska egenskaper. Plåttjockleken var i båda fallen 0,5 mm. Tabell 1 Sammansättning hos AISI 301-1000 och AISI 301-1500 C(%) Si(%) Mn(%) P(%) S(%) Cr(%) Ni(%) Mo(%) 301-1000 0,101 0,47 1,16 0,025 0,001 17,52 7,73-301-1500 0,099 1,14 1,23 0,022 <0,001 16,72 6,73 0,73 Tabell 2 Mekaniska egenskaper för AISI 301-1000 och AISI 301-1500 (enligt mätningar hos Avesta Sheffield, provning i valsningsriktning) Rp 0,2 MPa Rm MPa A80 % 301-1000 987-1001 1143-1146 15,8-15,5 301-1500 1558-1560 1712-1768 1,7-1,3 Docol DP är ett s k tvåfastål (Dual Phase) bestående av ferrit och martensit. Det tas fram genom en glödgning i två-fasområdet för austenit-ferrit och sedan snabb kylning med vatten. Även för denna stålsort har två hållfasthetsklasser studerats, Docol 1000 och Docol 1400, se Tabell 3 och Tabell 4 för kemisk sammansättning och mekaniska egenskaper. Plåttjockleken var i båda fallen 0,8 mm. Tabell 3 Sammansättning hos Docol 1000 och Docol 1400 C(%) Si(%) Mn(%) P(%) S(%) Docol 1000 0,14 0,05 1,2 0,02 0,02 Docol 1500 0,16 0,05 1,5 0,02 0,02 5

Tabell 4 Mekaniska egenskaper för Docol 1000 och Docol 1400 (enligt mätningar hos SSAB, provning i valsningsriktning) Rp 0,2 MPa Rm MPa A80 % Docol 1000 905 1138 9 Docol 1400 1306 1526 4 Försökens utförande Vid den lokala värmebehandlingen användes ett induktionsaggregat med benämningen Miniminac på 12 kw från EFD Induction AB, se Bild 1. Detta aggregat arbetar med två olika frekvensområden 20-30kHz och 40-50 khz. Vid värmning av plåtarna användes det lägre frekvensområdet. Inringat område på bilden visar induktor med dess anslutningshandske. Bild 1Utseende på Miniminac-aggregatet från EFD Induction AB Den induktor som användes var av sk pannkakstyp, se Bild 2. Denna typ av induktor är lämplig vid värmning från en sida av t ex plåt. 6

Bild 2 Utseende hos använd induktor av pannkakstyp Vid försöken värmdes plåtar av storleken 300x300 mm. För ändamålet tillverkades en fixtur som höll plåten i dess rand för att få så god reproducerbarhet som möjligt, se Bild 3. Bild 3 Utseende hos fixturen, utan och med plåt, som användes vid värmningsförsöken (kopplingsavståndet som visas är inte det som användes i försöken) 7

Vid de första inledande värmningarna uppmärksammades att plåten deformerades under värmningen. Till en början elastiskt p g a elektromagnetisk kraftverkan mellan induktor och plåt, därefter p g a termiska spänningar och så småningom även plastiskt. Detta ledde även till kvarstående deformationer hos plåtarna efter avslutad värmning, se även avsnitt Deformation av värmda plåtar. För att hålla ett konstant kopplingsavstånd, d v s avstånd mellan induktor och plåt, användes en keramisk platta som mothåll på baksidan av plåten. Ett konstant avstånd är nödvändigt för att få god repeterbarhet i processen och blir kopplingsavståndet för stort blir även verkningsgraden för dålig. Vid de slutliga värmningarna användes ett kopplingsavstånd på ca 2 mm. Efter avslutad värmning fick plåtarna svalna fritt i luft. Börvärden på temperatur och önskad hårdhet I aktivitet 10.1 Materialegenskaper togs det fram vilka värmningstemperaturer som gav goda formningsegenskaper. Hårdhet mättes också och dessa utgjorde ingående målvärden i denna aktivitet. Värmningen i aktivitet 10.1 gjordes i saltbad där hela provstaven värmdes under 30 sekunder. Detta innebär att plåtarna erhöll en viss s k hålltid vid den temperatur som saltbadet hade och som kan uppskattas till ca 15-20 sekunder. Nedan visas de börvärden för topptemperatur som användes vid försöken med lokal värmebehandling med induktion. Tabell 5 Målvärden på temperatur och hårdhet i de genomförda försöken Material Temperatur ( C) Önskad hårdhet HV0,5*: AISI 301-1000 max 800 335 AISI 301-1000 1050 220 AISI 301-1500 max 800 355 AISI 301-1500 1050 240 Docol 1000 800-900 850 197 Docol 1400 800-900 850 205 8

Resultat Nedan följer resultaten från de genomförda vämningsförsöken. Hårdhetsprofiler har uppmätts genom att mäta med HV 0,5 från centrum av den värmda zonen ut till opåverkat material. Mätningarna utfördes genom att mäta i centrumlinjen av plåtens tvärsnitt. Angivna temperaturer uppmättes m h a ett IR-instrument vars fokus var placerat ca 5 mm från centrum av det värmda området. Temperaturjämnheten uppskattades till +/- 20 C inom ett område med radien 20 mm (räknat från centrum av det värmda området). I Tabell 6 nedan visas en sammanställning av process- och värmningsparametrar och resulterande hårdhetsresultat. Angiven hårdhet är ett uppskattat medelvärde av hårdheten från centrum ut till 10 mm från centrum. Tabell 6 sammanställning av process- och värmningsparametrar och resulterande hårdhetsresultat Material Temperatur Börvärde ( C) Temperatur Erhållen ( C) Värmningstid (s) HV 0,5 Målvärde HV 0,5 Erhållen AISI 301-1000 <800 800 30 335 325 AISI 301-1000 1050 1060 28 220 235 AISI 301-1500 <800 808 24 355 370 AISI 301-1500 1050 1053 23 240 255 Docol 1000 850 840 23 197 210 Docol 1400 850 870 26 205 240 Som tidigare nämnts deformerades plåtarna vid värmningsförsöken. Dessa deformationer åskådliggörs kvalitativt genom foton tagna på värmda och icke värmda plåtar. Några försök att mäta graden av deformation har ej gjorts. 9

Hårdhetsprofiler i värmda zonen I Bild 4-Bild 7 visas resultaten från värmning av AISI 301-materialet. I dessa bilder framgår det att i alla fyra fallen erhållits hårdhetsvärden nära de önskade vilket betyder att använda processparametrar var riktiga. Däremot finns det i några av diagrammen tecken som tyder på att den erhållna hårdheten i den värmda zonen är ganska ojämn. Detta kan ha två orsaker, dels att mätning med HV 0,5 generellt ger relativt stor spridning men det kan också tyda på att temperaturen varit ojämnt fördelat. Tidigare har det sagts att temperaturjämnheten var ca +/- 20 C vid avslutad värmning. Däremot kunde man tydligt se att det under värmningsförloppet var en ojämn värmning i olika delar under induktorn. Denna ojämna värmning upphörde vid högre temperaturer. En ojämn värmning innebär de olika delarna får olika mycket total energi. Eftersom den nedsättning av hårdhet som önskas i stor utsträckning är en diffussionsrelaterad spänningsrelaxation, speciellt vid lägre temperaturer, innebär det att varierande energimängder ger variationer i den drivande kraften för diffusionen. Detta innebär i förlängningen att det borde vara större spridning i hårdhet i de zoner som värmts till lägre temperaturer än de som värmts vid högre, vilket det i viss mån också är. I Bild 8 och Bild 9 visas resultaten från värmning Docol-materialet. I dessa båda fall blev resultatet en något högre hårdhet än vad som avsågs. Det minst tillfredsställande resultatet ficks för Docol 1400 somerhöll en hårdhet som var ca 35 HV för högt, trots att temperaturen var 20 C över börvärdet vid värmingen. En möjlig förklaring till dessa avvikelser, med tanke på att resultaten för AISI 301- materialet blev relativt bra, är att Docol-materialets mjuknande i större utsträckning är en kombination spänningsrelaxation och fasomvandling (nedbrytning av martensiten i DP-strukturen). Den senare av dessa båda effekter, båda diffussionsrelaterade kräver dock mera tid eller högre temperatur dvs mer energi än vad spänningsrelaxation gör. Eftersom den totala värmningstiden bara var ca 25 sekunder vid försöken (jämfört med 30 sekunder i saltbadet varav ca 15-20 sekunder vid saltbadets temperatur) är det troligt att den tillgängliga energin för nödvändig omvandling blev för låg. 10

500 450 400 350 300 Målvärde: 335 HV 0,5 250 200 150 100 50 AISI 301-1000 Topptemperatur 800 o C Värmningstid 30 sek 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Avstånd från centrum av värmt område, mm Bild 4 Erhållen hårdhetsprofil efter värmning av AISI 301-1000 till 800 C 450 400 350 300 250 Målvärde: 220 HV 0,5 200 150 100 50 AISI 301-1000 Topptemperatur 1060 o C Värmningstid 28 sek 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Avstånd från centrum av värmt område, mm Bild 5 Erhållen hårdhetsprofil efter värmning av AISI 301-1000 till 1060 C 11

600 500 400 Målvärde: 355 HV 0,5 300 200 100 AISI 301-1500 Topptemperatur 808 o C Värmningstid 24 sek 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Avstånd från centrum av värmt område, mm Bild 6 Erhållen hårdhetsprofil efter värmning av AISI 301-1500 till 808 C 600 500 400 300 Målvärde: 240 HV 0,5 200 100 AISI 301-1500 Topptemperatur 1053 o C Värmningstid 23 sek 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Avstånd från centrum av värmt område, mm Bild 7 Erhållen hårdhetsprofil efter värmning av AISI 301-1000 till 1053 C 12

400 350 300 250 200 Målvärde: 197 HV 0,5 150 100 50 DOCOL 1000 Topptemperatur 869 o C Värmningstid 26 sek 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Avstånd från centrum av värmt område, mm Bild 8 Erhållen hårdhetsprofil efter värmning av Docol 1000 till 869 C 600 500 400 300 200 Målvärde: 205 HV 0,5 100 0 DOCOL 1400 Topptemperatur 840 o C Värmningstid 23 sek 0 10 20 30 40 50 60 70 Avstånd från centrum av värmt område, mm Bild 9 Erhållen hårdhetsprofil efter värmning av Docol 1400 till 840 C 13

Deformation efter värmning I bildsviterna nedan visas foton av hur plåtarna deformerats pga de värmningsförlopp som de genomgått. 301-materialet deformerades i större utsträckning än Docol-materialet. 301-1550 var den kvalitet som erhöll den största deformationen. En trolig orsak till att 301-1550 materialet erhöll de största deformationerna är att denna kvalitet har den största kallvalsningsreduktionen av samtliga provade material. För 301 utfördes försöken vid två temperaturer, <800 C och 1050 C, inte oväntat erhölls de största deformationerna vid den högre temperaturen. a b c Bild 10 AISI 301-1000 a) obehandlad, b) värmd till 800 C, c) värmd till 1050 C a b c Bild 11 AISI 301-1500 a) obehandlad, b) värmd till 800 C, c) värmd till 1050 C 14

a b Bild 12 Docol 1000 a) obehandlad b) värmd till 850 C a b Bild 13 Docol 1400 a) obehandlad b) värmd till 850 C 15

Diskussion och slutsatser Resultaten från de genomförda försöken visar att det är möjligt att lokalt värmebehandla med induktion för att erhålla bättre formningsegenskaper i det behandlade området. För AISI 301-materialet erhölls ur hårdhetssynpunkt de resutlat som avsågs vilket innebär att de från aktivitet 10.1 föreslagna temperaturerna var de rätta. För Docol-materialet erhölls något högre hårdhetsnivåer än de som eftersträvades. Detta beror troligen på att kombinationen av tid och temperatur inte blev helt rätt. Orsaken till att resultaten från 10.1 och 10.2 ej överensstämmer på det sätt som det gjorde för AISI 301-materialet är troligen att mekanismerna för hållafasthetsminskningen i de båda materialen inte är likartade. För 301-materialet är det i första hand en avspänningsglödgning, i vart fall vid den lägre temperaturen. För Docol-materialet är det frågan om en kombination av avspänningsglödgning och fasomvandling som kräver längre tider och/eller högre temperaturer. Plåtarna deformerades i en utsträckning som var beroende av kvalitet och värmningstemperatur. Deformationerna var så pass stora att de kommer att deformera även en produktliknande struktur trots att en sådan troligen har en betydligt större strukturstyvhet än vad en skiva har. Hur stora deformationerna blir är mycket svårt att förutsäga på förhand. Om lokal värmning skall införas industriellt behöver metoder och utrustning utvecklas så att deformationen sker under kontrollerade former. Detta görs lämpligen genom utprovning på skarpa produktapplikationer. 16