Stale karoseryjne ogarnijtemat.com, Materiały konstrukcyjne, Materiały konstrukcyjne

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Jacek Senkara
Współczesne stale karoseryjne
dla przemysłu motoryzacyjnego
i wytyczne technologiczne ich zgrzewania
Contemporary car body steels for automotive 
industry and technological guidelines 
of their pressure welding
Abstract
Streszczenie
The steels employed to-date by auto-makers for body-
in-white manufacturing are discussed in the paper along
with multi-structure materials of superb features (TRIP/
TWIP effect steels). Technical suggestions are formula-
ted for their welding by resistance spot method.
Omówiono stale dotychczas stosowane do budowy
karoserii w przemyśle samochodowym oraz nowo opra-
cowane w tym celu materiały o złożonej strukturze, cha-
rakteryzujące się rewelacyjnymi właściwościami (stale
z efektem TRIP/TWIP). Podano wytyczne technologiczne
dla ich spajania metodą zgrzewania rezystancyjnego.
Wstęp
nej materiału do jego gęstości), co umożliwia redukcję
masy pojazdu;
– wysoka zdolność absorpcji energii w przypadku zderze-
nia;
– właściwości minimalizujące kłopoty technologiczne przy
wytwarzaniu i zapewniające wysoką produktywność,
w tym zwłaszcza: podatność na obróbkę plastyczną (tło-
czenie paneli, gięcie, hydroforming i in.) oraz łatwość sto-
sowania pokryć (powłoki Zn, Al, lakiery), a ponadto dobra
spawalność i zgrzewalność;
– dobre zachowanie w eksploatacji (wytrzymałość zmę-
czeniowa samego materiału i spoin, podatność na koro-
zję, łatwa wymiana elementów);
– względy ekonomiczne.
Obecnie w budowie nadwozia znajdują zastosowanie
przede wszystkim konwencjonalne stale o niskiej zawartości
węgla, przerabiane przez walcowanie na gorąco i na zimno.
Wyżarzanie po zgniocie i chłodzenie odbywa się w sposób
prowadzący do otrzymania struktur ferrytycznych. Natomiast
nowa generacja stali wymaga specjalnych obróbek, w wyni-
ku których otrzymuje się struktury bardziej złożone. Dominu-
jącą metodą montażu karoserii samochodowych pozostaje
wciąż zgrzewanie rezystancyjne punktowe, pomimo ekspan-
sji takich technologii jak spawanie i lutowanie laserowe, lase-
rowe hybrydowe, klejenie, nitowanie czy zaciskanie.
W artykule przedstawiono charakterystykę nowoczes-
nych stali tworzących grupę AHSS (CP, DP, MS, TRIP),
a także ostatnio opracowanych wysokomanganowych sta-
li TRIP/TWIP wraz z sugestiami technologicznymi dla ich
zgrzewania.
Pomimo licznych informacji o opracowywaniu i wdraża-
niu do produkcji samochodów takich materiałów jak stopy
aluminium, stopy magnezu, kompozyty i tworzywa sztucz-
ne, stale są nadal materiałem dominującym w przemyśle
motoryzacyjnym. Jest to powodowane nie tylko względa-
mi ekonomicznymi, ale przede wszystkim konkurencyjny-
mi właściwościami. Realizacja kilku programów o zasięgu
międzynarodowym w ostatnim 15-leciu w Europie, Japonii
i USA spowodowała pojawienie się atrakcyjnych nowości w
tym obszarze. Wychodzą one naprzeciw wymaganiom doty-
czącym zmniejszenia masy karoserii – co przekłada się na
zmniejszenie zużycia paliwa – oraz zapewnienia większego
bezpieczeństwa biernego pasażerom. O ile jeszcze niedaw-
no duże zainteresowanie budziły stopy aluminium, obecnie
większe nadzieje wiąże się z zastosowaniem cienkich blach
i innych elementów konstrukcyjnych o małych przekrojach ze
stali o bardzo wysokich właściwościach. Z punktu widzenia
przemysłu motoryzacyjnego powinny być przede wszystkim
brane pod uwagę:
– właściwości mechaniczne, w tym zwłaszcza wysoka tzw.
wytrzymałość właściwa (stosunek wytrzymałości doraź-
Prof. dr hab. inż. Jacek Senkara
– Politechnika
Warszawska.
3
PRZEGLĄD SPAWALNICTWA 11/2009
 Podział stali dla motoryzacji
Zaawansowane stale
o wysokiej wytrzymałości
Nie ma dotąd powszechnie przyjętej systematyki stali
konstrukcyjnych dla przemysłu motoryzacyjnego. Według
aktualnego stanu wiedzy można je jednak sklasyikować
w trzech podstawowych grupach (rys. 1):
I. miękkie, plastyczne stale niskowęglowe (stale DQSK, IF)
o wytrzymałości doraźnej na rozciąganie R
m
poniżej 300
MPa i wydłużeniu całkowitym A w zakresie 30÷60%;
II. konwencjonalne stale o wysokiej wytrzymałości HSS
(BH, CMn, IF z mikrododatkami, HSLA) o 300< R
m
<700
MPa i obniżonym A w stosunku do poprzedniej grupy;
III. zaawansowane stale o bardzo wysokiej wytrzymałości
AHSS (R
m
powyżej 700 MPa, sięgające nawet 2000
MPa) i wydłużeniu zawartym w dość szerokich grani-
cach 5÷30%, przy czym wzrost wytrzymałości idzie
w parze z obniżeniem plastyczności.
Dwie pierwsze grupy można już nazwać klasycznymi:
materiały te są szeroko stosowane do budowy samonoś-
nych nadwozi samochodowych w masowej skali. Stale
z grupy III są sukcesywnie wdrażane do produkcji i ich udział
systematycznie rośnie. Natomiast w ostatnim okresie opra-
cowane zostały wysokomanganowe stale TRIP/TWIP, nie
ujęte jeszcze w klasyikacji, o niezwykłych właściwościach:
bardzo wysokiej wytrzymałości do 1200 MPa przy równo-
czesnej bardzo wysokiej plastyczności, które są niewątpli-
wie zaczątkiem kolejnej generacji materiałów.
Stale DQSK i IF są stalami o bardzo niskiej zawartości
węgla, wysokiej podatności na tłoczenie i strukturze ferry-
tycznej, przy czym stale IF nie zawierają w roztworze pier-
wiastków tworzących roztwory międzywęzłowe, w tym prak-
tycznie także i węgla (C<0,005%, N<0,005%, S<0,005%).
Ich rozwinięciem są stale o podwyższonej wytrzymało-
ści z grupy drugiej (IF-HS i BH). Zawierają one mikrododatki
(Ti, Nb, V), wiążące resztki pierwiastków międzywęzłowych,
tworzące węgliki, węgloazotki i węglikosiarczki w osnowie
matrycy ferrytycznej. Stale BH są utwardzane w procesie
wypalania lakieru na gotowej karoserii. Stale HSLA to rów-
nież grupa stali o zawartości węgla poniżej 0,1%, umacnia-
nych Mn i różnymi dodatkami mikroskopowymi, np. Cr, Nb,
Al, Si w ilościach rzędu kilku setnych %. Stale CMn zawdzię-
czają swoje właściwości strukturze ferrytycznej umocnionej
roztworowo Mn. Wszystkie one mają niskie równoważniki
węgla i w konsekwencji bardzo dobrą spawalność i zgrze-
walność.
Do kategorii AHSS zalicza się stale umacniane przez
transformację fazową, a nie przez umocnienie roztworowe
lub umocnienie dyspersyjne, jak to miało miejsce w dwóch
poprzednich grupach, przy czym dla stali CP, DP i MS umoc-
nienie to dokonuje się na etapie przygotowania materiału,
natomiast umocnienie przez efekt TRIP zachodzi w trakcie
kolizji pojazdu.
Wspólną operacją technologiczną dla stali CP, DP i TRIP
jest obróbka w temperaturze międzykrytycznej (obszar
współistnienia faz α i γ) po walcowaniu na zimno z następu-
jącą niskotemperaturową przemianą austenitu. Odpowiedni
dobór temperatury wyżarzania kształtuje stosunek austenitu
do ferrytu, a struktura końcowa zależy od sterowania prze-
biegiem temperatury w czasie chłodzenia i może być kombi-
nacją ferrytu, bainitu, martenzytu i austenitu szczątkowego.
Stale MS są natomiast otrzymywane w trakcie szybkiego
chłodzenia z zakresu istnienia fazy γ dla uzyskania struktury
pełnego martenzytu. Ich wytrzymałość doraźna osiąga na-
wet 2000 MPa. W celu poprawy ciągliwości stosowane jest
ewentualnie kontrolowane odpuszczanie.
Stale DP - CP
Strukturę stali DP tworzy mieszanina w postaci matrycy
drobnoziarnistego ferrytu poligonalnego lub iglastego bez-
węglikowego, z „wyspami” martenzytu w ilości 5÷40%, a na-
wet więcej. Dodatkowo mogą wystąpić małe ilości austenitu
szczątkowego. Stale te są otrzymywane, jak już wspomniano,
przez odpowiednio prowadzone chłodzenie po wyżarzaniu
z zakresu temperaturowego odpowiadającego współistnieniu
faz α i γ. Podczas szybkiego chłodzenia austenit przemienia
się w martenzyt (ferryt oczywiście przemianie nie podlega)
i tworzy się struktura dwufazowa F+M. Inną metodą jest
obróbka cieplno-mechaniczna, polegająca na integracji ob-
róbki cieplnej i obróbki plastycznej (walcowanie na gorąco)
z następującym chłodzeniem. Nieco bardziej drobnoziarnistą
strukturę i w konsekwencji lepsze właściwości mechaniczne
można uzyskać w tym drugim przypadku [1]. W gruncie rze-
czy odmianą stali DP są stale CP, dla których chłodzenie
prowadzone jest w ten sposób, iż obok martenzytu pojawia
się dodatkowy, trzeci składnik strukturalny – bainit. Stale
DP-CP są domieszkowane dla sterowania zawartością au-
stenitu w temperaturze wyżarzania, zawartość węgla może
wahać się w szerokich granicach 0,05÷0,2% [2, 3]. Przykła-
dowe składy chemiczne podano w tablicy I.
Właściwości stali DP, która jest rodzajem specyicznego
kompozytu, są wypadkową udziału twardego i wytrzymałe-
go martenzytu oraz ciągliwego ferrytu. Zależą głównie od
stosunku obu faz i wielkości ziaren ferrytu. Wytrzymałość
doraźna na rozciąganie osiąga 1000 MPa przy wydłużeniu
ok. kilkunastu %. Podstawowe właściwości mechaniczne dla
dwóch przykładowych gatunków DP podano w tablicy II.
Stale DP charakteryzują się ponadto dużą wyjściową
różnicą granicy plastyczności i wytrzymałości, która przy
obróbce plastycznej na zimno szybko maleje. Wykazują
dzięki temu mniejszy efekt sprężynowania niż stale nisko-
stopowe (np. HSLA) o tej samej wytrzymałości, co jest bar-
dzo korzystne przy tłoczeniu paneli [2]. Z innych korzystnych
właściwości należy wymienić brak tzw. efektu Lüdersa przy
odkształcaniu oraz odporność na pękanie w niskiej tempera-
turze i małą anizotropię właściwości plastycznych [2, 3].
Rys. 1.
Klasyikacja stali dla przemysłu motoryzacyjnego
Fig. 1
.
Classiication of steel for automotive industry
4
PRZEGLĄD SPAWALNICTWA 11/2009
 Tablica I.
Skład chemiczny stali DP irmy SSAB Swedish
Steel [2]
Table I.
Chemical constitution of the DP steel of the SSAB
Swedish Steel [2]
Gatunek stali
C %
max
się struktury stali TRIP można znaleźć np. w pracach [5÷7].
Niskostopowe stale TRIP typu CMnAl, CMnSi i CMnAlPSi
charakteryzują się wysoką wytrzymałością, nawet do 1000
MPa, przy dobrej podatności na formowanie (A w granicach
20÷40%) i dużą zdolnością pochłaniania energii uderzenia.
Si %
max
Mn %
max
P %
max
S %
max
Cr %
max
Al %
max
Dogal 600 DP
Dogal 800 DP
0,12
0,16
0,30
0,25
1,66
1,90
0,02
0,02
0,004
0,004
0,50
0,50
0,020
0,015
Wysokomanganowe stale TWIP i TRIP
Stal TWIP pojawiła się na rynku w 2004 r. Charaktery-
zuje się wyjątkowo wysokim stopniem odkształcenia przy
zachowaniu wysokiej wytrzymałości. Jest to unikalna właś-
ciwość, szczególnie ważna w przypadku kolizji pojazdu.
W tych warunkach materiał powinien wykazywać dwie prze-
ciwstawne cechy:
– wysoką ciągliwość, aby pochłonąć przy odkształceniu
plastycznym maksymalną ilość energii uderzenia;
– zachować maksymalną stabilność elementu chroniące-
go kabinę pasażerską.
Stosowane dotąd stale były albo bardzo wytrzymałe
(z których np. wykonywano ramę samochodu), ale mało
ciągliwe, pękając przy nadmiernym dynamicznym obciąże-
niu, albo odwrotnie: plastyczne, ale mało wytrzymałe. Stale
TWIP mogą zrewolucjonizować ten segment. Otrzymano
dotąd szereg takich wyjątkowych materiałów, m.in. w Niem-
czech [8], Korei [9] i Japonii [10]. Stal opracowana w Max
Planck Institute for Iron Research wykazuje 1100 MPa przy
90% wydłużenia [8, 11].
Skład chemiczny stali TWIP charakteryzuje się wysoką
zawartością manganu (15÷35 %), inne dodatki stopowe to
2÷4 % Al i/lub Si. Duża zawartość Mn stabilizuje austenit do
temperatury pokojowej. Struktura w pełni austenityczna, bez
martenzytu i innych faz – potencjalnych zarodków pęknię-
cia – wykazuje wysoką ciągliwość i podatność na obróbkę
plastyczną. Przy dużych szybkościach odkształcenia za-
chodzi bliźniakowanie. Stal deformuje się lokalnie, umacnia
(R
e
rośnie wraz z szybkością odkształcenia) i przekazuje
resztę energii kolejnemu rejonowi. W ten sposób odkształce-
nie przez bliźniakowanie przemieszcza się w postaci swoistej
fali, rozpraszając i efektywnie absorbując energię uderzenia
[10, 11]. Odkształcenie przez bliźniakowanie występuje dla
stopów o niskiej energii błędu ułożenia, a taki charakter mają
właśnie stale TWIP [9÷12].
Tablica II.
Właściwości mechaniczne stali DP irmy SSAB
Swedish Steel [2]
Table II.
Mechanical properties of the DP steel of the SSAB
Swedish Steel [2]
Granica pla-
styczności
MPa
Wytrzymałość
na rozciąganie
MPa
Wydłużenie,
% min.
Gatunek stali
Dogal 600 DP
Dogal 800 DP
350-480
500-640
600-700
800-950
16
12
Niskostopowe stale TRIP
W stalach tych po wyżarzaniu z zakresu współistnienia
faz α i γ, podczas odpowiednio przebiegającego, wolniejsze-
go niż dla stali DP cyklu chłodzenia z przystankiem, tworzy
się mieszana struktura złożona z ferrytu, bainitu i znacznej
ilości austenitu szczątkowego. Podobnie jak dla materiałów
kompozytowych, właściwości tego materiału są wypadko-
wą właściwości poszczególnych faz, ich udziału i morfolo-
gii. Bainit jest najbardziej wytrzymałą fazą, a ciągliwy ferryt
i austenit ułatwiają obróbkę plastyczną. Stal tego typu jest
więc atrakcyjna zarówno z wytrzymałościowego, jak i tech-
nologicznego punktu widzenia. Jej niezwykłe właściwości
ujawniają się jednak w przypadku gwałtownego odkształce-
nia (np. w sytuacji kraksy samochodu): austenit szczątkowy
przemienia się wówczas w martenzyt, pochłaniając energię
i dodatkowo umacniając materiał. Ta ostatnia właściwość
czyni go bardzo atrakcyjnym dla przemysłu motoryzacyjne-
go. Ponadto przy przemianie A → M pojawia się szczególna
plastyczność, zwana plastycznością przemiany [6].
Współczesne niskostopowe stale TRIP mają zróżnico-
wane składy chemiczne, z łącznym udziałem składników
stopowych rzędu kilku % wagowych. Zawartość węgla jest
kluczowa, zwykle oscyluje ona w tych stalach w zakresie
0,10÷0,25%. Wyższe zawartości, do 0,6% C, pomimo ko-
rzystnego wpływu na strukturę (tworzy się bainit i auste-
nit, a wytrzymałość osiąga nawet powyżej 1200 MPa przy
niezłej plastyczności), nie wyszły poza fazę doświadczalną
z uwagi na znaczące pogorszenie spawalności [4, 5]. Innymi
składnikami stopowymi są Mn (0,4÷2,5%), Si (0,4÷1,8%), Al
(ok. 1%). Stosowane są także niewielkie dodatki fosforu dla
umocnienia ferrytu przez roztwór (niestety, pogarsza spa-
walność) oraz mikrododatki Nb, Ti i V dla rainacji struktury i
utworzenia dyspersyjnych węglików i węgloazotków [4]. Rola
dodatków stopowych i ich wpływu na strukturę i właściwości
stali TRIP jest złożona i nie do końca wyjaśniona. Zagadnie-
nia te omawia w obszernym artykule przeglądowym DeCoo-
man [4]. Przy wyżarzaniu w temperaturze międzykrytycznej
węgiel i inne pierwiastki stopowe dyfundują z ferrytu do au-
stenitu, pozostającego w stanie metastabilnym, zwiększając
tym samym jego udział. Si rozdrabnia mikrostrukturę i wraz
z Al zapobiega tworzeniu się cementytu. Ponadto Al przy-
spiesza formowanie bainitu i zwiększa rozpuszczalność C w
ferrycie w przeciwieństwie do Si. Różne aspekty formowania
Rys. 2.
Struktura omawianych stali przed (I ) i po (II ) odkształceniu
z dużą szybkością, odpowiadającemu zderzeniu pojazdu. Dla
uproszczenia nie uwzględniono zmiany kształtu ziaren
Fig. 2.
Structure of steels under discussion before (I) and after (II)
high rate straining equivalent to vehicle crash. Changes in grain sha-
pe are not considered for simpliication
5
PRZEGLĄD SPAWALNICTWA 11/2009
Zmiana składu chemicznego w kierunku zmniejszenia
zawartości manganu do poziomu 15÷20% w obecności in-
nych dodatków stopowych powoduje pojawienie się w oma-
wianych stalach omawianego już uprzednio efektu TRIP [8].
Zmienia się energia błędu ułożenia i możliwe są także stale
„mieszane” TWIP/TRIP. Dla wysokomanganowej stali TRIP
absorpcja energii w wyniku przemiany A → M jest bardziej
efektywna, gdyż przebiega dwuetapowo. Początkowo po-
wstaje martenzyt heksagonalny, który następnie przechodzi
w martenzyt o sieci sześciennej przestrzennie centrycznej.
Wysokomanganowe stale TWIP i TRIP wydają się mieć
przed sobą ogromne perspektywy rozwojowe. Podsumowa-
niem zachowania się omówionych dotąd stali przy gwałtow-
nym odkształceniu jest rysunek 2, na którym przedstawiono
schematycznie struktury przed kolizją i po kolizji pojazdu.
gatunku materiału [15]. Stale DP zgrzewają się wzajemnie
ze sobą i z innymi materiałami [16, 19]. Można uzyskać w
obu przypadkach poprawne zgrzeiny, a niekiedy, np. dla złą-
czy stali DP i AISI 304, struktury mieszane jądra [16]. Dla
stali DP postuluje się, aby złącze zgrzewane wykazujące
odpowiednią wytrzymałość i zniszczone przez pęknięcie
w płaszczyźnie poziomej w teście kontrolnym uznać za po-
prawne [19] (dla „konwencjonalnych” stali karoseryjnych jest
to uważane za nieprawidłowe).
Badania porównawcze wytrzymałości na zmęczenie
zgrzein materiałów DQSK, HSLA, DP i TRIP wykazały, iż dla
nisko- i średniocyklicznego testu istnieje korelacja pomiędzy
tą wytrzymałością a wytrzymałością doraźną. Natomiast
wytrzymałość zmęczeniowa w teście wysokocyklicznym nie
zależy ani od struktury, ani od wytrzymałości materiału ro-
dzimego [3]. Pęknięcie zmęczeniowe następowało zawsze
od „języczka” materiału jądra wypchniętego do przestrzeni
pomiędzy zgrzewanymi blachami. Na marginesie głównego
tematu rozważań należy zauważyć, że jest to kolejny argu-
ment „przeciwko” w dyskusji na temat akceptacji ekspulsji.
W dostępnej literaturze przedmiotu nie ma jeszcze żad-
nych informacji na temat zgrzewania wysokomanganowych
stali TWIP/TRIP. Można jednak przypuszczać, na podstawie
analogii do spawalności stali Hadielda, iż będzie to możliwe
z zachowaniem odpowiednich procedur.
Zgrzewalność stali AHSS
Omawiane stale wykazują się niezłą zgrzewalnością,
jednakże brak jest jeszcze dla nowszych gatunków spre-
cyzowanych zaleceń technologicznych [18]. Możliwości
sterowania szybkością procesów zachodzących w jądrze
zgrzeiny i streie wpływu ciepła są w przypadku zgrzewania
oporowego ograniczone i należy liczyć się ze zniszczeniem
struktury materiału wyjściowego. W świetle opublikowanych
wyników badań ogólnie stwierdzić można, iż ze wzrostem
wytrzymałości materiałów zgrzewanych należy stosować
wyższe siły docisku i niższe prądy zgrzewania przy zbliżo-
nym czasie procesu [3, 13, 14]. Dla stali TRIP należy stoso-
wać dwucykliczny sposób zgrzewania [3]. W ten sam sposób
należy zgrzewać stale wszystkich grup z powłokami antyko-
rozyjnymi [16].
Wytrzymałość statyczna zgrzein rośnie wraz ze wzro-
stem R
m
materiału zgrzewanego, wzrasta również twardość
jądra zgrzein, przewyższając twardość materiału rodzimego.
Wyniki te uzyskano dla badań porównawczych w sekwencji
stali: DQSK, HSLA, DP, TRIP [3]. Wszystkie stale z grupy
umacnianych przez przemianę fazową wykazują wrażliwość
na szybkość chłodzenia po zgrzewaniu, która jest wynikiem
chłodzenia pod dociskiem elektrod. Strumień ciepła odbie-
rany przez masywne elektrody miedziane chłodzone wodą
powoduje szybki spadek temperatury zgrzein, w których za-
chodzą niekorzystne zmiany. Przejawiają się one przez kru-
che pęknięcia w płaszczyźnie złącza zamiast „wyłuskania”
jądra zgrzeiny w teście ścinania [13÷17]. Efekt ten został już
dobrze udokumentowany i zbadany, powoduje go superpo-
zycja trzech czynników [13, 14]:
– niekorzystnego, przestrzennego stanu naprężeń włas-
nych, który ma miejsce podczas zgrzewania grubszych
blach (w blachach cienkich mamy do czynienia z dwu-
osiowym stanem naprężeń);
– kruchości struktur jądra zgrzeiny (obecność martenzytu
wynikającą z zawyżonej zawartości C i Mn, podwyższo-
na zawartość fosforu w ferrycie);
– występowania uprzywilejowanej „ścieżki pęknięcia” w
postaci porowatości i innych defektów w płaszczyźnie
złącza, zwłaszcza w pobliżu linii wtopienia.
Minimalizacja efektu może być osiągnięta przez skróce-
nie czasu chłodzenia złącza pod dociskiem elektrod do 5÷10
okresów przebiegu prądu zamiast typowych 50÷60 okresów,
a także zastosowanie dodatkowego impulsu prądowego po
zakończeniu zgrzewania celem odpuszczenia powstałej
struktury. Opracowana została specjalna metodyka tworze-
nia diagramów takiego odpuszczania in-situ zgrzein danego
Perspektywy rozwojowe
Stale HSS i AHSS znalazły już trwałe miejsce w przemy-
śle motoryzacyjnym. Na rysunku 3 przedstawiono trendy roz-
wojowe udziału poszczególnych grup stali w masie przecięt-
nej karoserii samochodowej w USA od roku 1995. Obserwuje
się malejący udział miękkich stali niskowęglowych, które już
obecnie utraciły prymat na rzecz stali HSS, w tym zwłaszcza
IF-HS i HSLA. Rośnie udział stali AHSS, które w perspekty-
wie roku 2015 mają przejąć prymat. Należy jednak zazna-
czyć, iż w grupie AHSS w USA preferowane są raczej stale
DP-CP, podczas gdy w Europie większe zainteresowanie
producentów budzą niskostopowe stale z efektem TRIP [4].
W zestawieniu nie ujęto wysokomanganowych stali TWIP/
TRIP, które obecnie dopiero wchodzą na rynek komercyjny.
Jest prawdopodobne, iż uzyskają na nim znaczący udział
w przyszłości. Pewnym ograniczeniem może być zapewne
wyższy ich koszt z uwagi na trudniejszą technologię wyto-
pu, odlewania i przeróbki plastycznej w skali produkcyjnej
w porównaniu z innymi stalami (wysoka prężność pary Mn,
tendencja do tworzenia łusek twardych tlenków podczas wal-
cowania na gorąco powodujących pęknięcia, konieczność
stosowania wysokich nacisków przy walcowaniu na zimno).
W konstrukcji nadwozia stale o bardzo wysokiej wytrzy-
małości (MS, DP, TRIP) zdominują wzmocnienia kabiny pa-
sażerskiej, podczas gdy stale TWIP tworzyć będą niejako
zewnętrzną strefę absorbującą energię w razie kolizji, za-
równo w osi pojazdu, jak i (zwłaszcza) w przypadku uderzeń
bocznych.
Trwają prace rozwojowe nad dalszym zwiększaniem
właściwości mechanicznych. Zarówno dla stali TRIP, jak i
wysokomanganowych TWIP/TRIP wydaje się, że najbar-
dziej obiecujące jest komercyjne wdrożenie mikrododatków
stopowych, w tym zwłaszcza B, N, Ti, V, Zr [4, 8÷10]. Trwają
także badania zgrzewalności i spawalności w koncernach
samochodowych, ale ich wyniki nie są na razie publikowa-
ne.
6
PRZEGLĄD SPAWALNICTWA 11/2009
 Wykaz oznaczeń stali użytych w tekście:
AHSS (Advanced High Strength Steel) – (zaawansowana) o bardzo
wysokiej wytrzymałości
BH (Bake Hardenable) – umacniana podczas wypalania lakieru
CP (Complex Phase) – o złożonym składzie fazowym
CMn (Carbon Manganese) – węglowa o wytrzymałości podwyższonej
manganem
DP (Dual Phase) – dwufazowa
DQSK (Drawing Quality Special Killed) – głębokotłoczna, specjalnie
uspokojona
HSLA (High Strength Low Alloy) – niskostopowa o wysokiej wytrzymałości
HSS (High Strength Steel) – o wysokiej wytrzymałości
IF (Interstitial Free) – wolna od atomów międzywęzłowych
MS (Martensitic Steel) – martenzytyczna
TRIP (Transformation Induced Plasticity) – umacniana przez przemianę
fazową
TWIP (Twinning Induced Plasticity) – umacniana przez bliźniakowanie
(mechaniczne)
Rys. 3.
Udział poszczególnych grup stali w ogólnej masie przeciętnej
karoserii samochodowej w USA na przestrzeni lat [19]. W zestawie-
niu nie ujęto nowej generacji stali TWIP/TRIP
Fig. 3.
Content of particular steel groups in the total volume mass
of automobile body-in-white in the USA in years. New generation
TWIP/TRIP steels are not included
Wnioski
wencjonalnych. Generalnie wymagane są większe siły
docisku i niższe prądy zgrzewania w bardziej złożonych,
kilkuetapowych cyklach grzewczych. Dla stali HSS
i AHSS wskazane jest limitowanie czasu intensywnego
chłodzenia z dociskiem elektrod po wyłączeniu prądu
zgrzewania, a nawet wprowadzenie dodatkowego eta-
pu odpuszczającego strukturę w celu eliminacji efektu
pękania w płaszczyźnie złącza.
– Nowe stale wydają się mieć znakomite perspektywy roz-
wojowe w przemyśle motoryzacyjnym, które jednak mogą
być hamowane przez obecny kryzys ekonomiczny.
– Na przestrzeni ostatnich lat dokonał się znaczący po-
stęp materiałowy w konstrukcjach nadwozi samocho-
dowych. Odnotować należy pewien spadek zaintere-
sowania stopami Al na rzecz nowych stali o wyśrubo-
wanych właściwościach mechanicznych. Pojawiły się
nowe gatunki stali w grupie AHSS oraz rewelacyjne
wysokomanganowe stale TWIP/TRIP łączące w so-
bie wysoką wytrzymałość z doskonałą ciągliwością.
– Informacje na temat zgrzewania rezystancyjnego no-
wych stali są limitowane, jednak nie ulega wątpliwo-
ści, że jest ono trudniejsze niż zgrzewanie stali kon-
Literatura
[
1] Adamczyk J., Grajcar A.: Własności mechaniczne blach o
strukturze dwufazowej ze stali konstrukcyjnej mikroskopo-
wej obrobionej cieplnie i cieplno-mechanicznie. Inżynieria
materiałowa nr 6 (2003).
[2] Dogal 600 i 800P. Stal o extra i ultrawysokiej wytrzymało-
ści. Prospekt SSAB Swedish Steel.
[3] Rathbun R.W., Matlock D.K., Speer J.G.: Fatigue Behavior
of Spot Welded High-Strength Sheet Steels. Welding Jour-
nal, 82 (2003).
[4] DeCooman B.C.: Structure-properties relationship In TRIP
steels containing carbide-free bainite. Current Opinion in
Solid State and Materials Science 8 (2004).
[5] Adamczyk J., Grajcar A., Locher D.: Obróbka cieplna stali
bainitycznej umacnianej przez efekt TRIP. Inżynieria mate-
riałowa nr 3 (2006).
[6] Jeleńkowski J.: Stale z austenitem metastabilnym. Narzę-
dziowiec nr 2 (2006).
[7] Gajda B., Lis A.K.: Analiza mikrostruktury stali stosowanej
do produkcji cienkich blach głębokotłocznych. Inżynieria
materiałowa nr 3 (2006).
[8] Frommeyer G., Brux U., Neumann P.: Supra-Ductile and
High-Strength Manganese- TRIP/TWIP Steels for High
Energy Absorption Purposes. ISIJ International 43 (2003).
[9] Kim S.K., Choi J., Kang S.C., Shon I.R., Chin K.G.: The
Development of TWIP Steel for Automotive Application.
POSCO Technical Report 10 (2006).
[10] Ueji R., Tsuchida N., Terada D., Tsuji N., Tanaka Y., Take-
mura A.: Tensile Properties and Twinning Behavior of High
Manganese Austenitic Steel with Fine-Grained Structure.
Scripta Materialia 59 (2008).
[11] Mehta R.: Twinning Induced Plasticity (TWIP) Steel Impro-
ves Car Safety. Materials Word Magazine 12 (2007).
[12] Kliber J., Kursa T., Schindler I.: Hot Rolling of steel with
TWIP effect. Hutnik 75, nr 8 (2008).
[13] Lehman L.R., Gould J.E., Holmes S.: The Use of Design of
Experiments for Investigating the Resistance Spot Weldabi-
lity of High-Strength Steel. Proc. Sheet Metal Welding Conf.
VII, 1996, Detroit (MI), Paper No C1.
[14] Gould J.E., Workman D.: Fracture Morfologies of Resistan-
ce Spot Welds Exhibiting Hold Time Sensitivity Behavior.
Proc. Sheet Metal Welding Conf. VIII, 1998, Detroit (MI),
Paper No 1-1.
[15] Chuko W.L., Gould J.E.: Development of Appropriate Resi-
stance Spot Welding Practice for Transformation-Hardened
Steels. Welding Journal, 81 (2002).
[16] Ponte M., Gambaro C., Adamowski J.: Badanie zgrzewal-
ności oporowej stali AHSS DP600. Przegląd Spawalnictwa
nr 12 (2005).
[17] Radakovic D.J., Tumuluru M.: Predicting Resistance Spot
Weld Failure Modes in Shear Tension Tests of Advanced
High-Strength Automotive Steels. Welding Journal, 87
(2008).
[18] Recommended Practices for Test Methods for Evaluating
the Resistance Welding Behavior of Automotive Sheet Steel
Materials. AWS/SAE D8.9M Document, 2002 AWS Miami
(FLA).
[19] Tumuluru M.D.: Resistance Spot Welding of Coated High-
Strength Dual Phase Steels. Welding Journal, 85 (2006).
7
PRZEGLĄD SPAWALNICTWA 11/2009
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]