A nagyszilárdságú acélok egyre inkább kedvelt alapanyaga a legkülönfélébb műszaki területeknek. Alkalmazzák például olyan tervezési feladatokban, ahol a szerkezetek súlyra optimalizáltak például a járműipar területén és ezzel a szerkezet szilárdsági méretezéséhez szükséges szelvényméreteinek csökkentésére ad módot azok használata.
A nagyszilárdságú acélok kialakulásának rövid összefoglalása
A rövid történeti összefoglalás bevezető gondolataként érdemes tisztázni, hogy milyen acélfajtákat nevezünk nagyszilárdságú, vagy más kifejezéssel növelt folyáshatárú acéloknak. Ebben a kérdésben igen megoszlanak a szakvélemények. Bizonyos megítélés szerint az S355 acélt jellemző 355MPa folyáshatár feletti acélokat már nevezhetjük növelt folyáshatárúaknak.
Az ennél konkrétabb megfogalmazásban a 600 MPa szakítószilárdság felett beszélhetünk nagyszilárdságú acélról, míg az 1200 MPa szakítószilárdságú acélokat már az ultra-nagyszilárdságú acélok kategóriájába soroljuk. [2]
A fejlesztésük során az egyre jobb szilárdsági tulajdonságú acélokat különféle elnevezéssel látták el. A 70’-es évek közepétől fellendült a fejlesztésük a szóban forgó acéltípusoknak és a mikro- és foszforötvözött acélok után, 1980-től fellelhetővé váltak a kettős fázisú acélok (DP), pár évvel később a nagyszilárdságú IF lemezanyagok, mint első generációs nagyszilárdságú acélok. Majd ezeket követték a TRIP, TMS, CP, MS elnevezésű úgynevezett második generációs nagyszilárdságú acélok.
Napjainkban már találkozhatunk az 1994-ben 35 acélipari cég által megalakított Ultra Light Steel Auto Body (ULSAB) konzorcium AHSS (Advanced High Strength Steel) anyagcsaládja szerinti anyagokkal, illetve UHSS (Ultra High Strength Steels) acélcsoportokon belül 600-700, illetve akár 1000 MPa folyáshatár közeli acélanyagokkal is.
Felhasználási területek
A járműipar által alkalmazott acéltípusoknál az 1. ábrán jól megfigyelhető, hogy például a Volvo járműgyártó esetében már 2010-es évek elején markánsan megjelentek az ultra nagy szilárdságú acélok is, amellyel lehetővé vált a 80%-kal merevebb karosszéria 25%-os tömegcsökkenés mellett.
Összességében a lényegesen összetettebb járműkarosszériának köszönhetően kisebb fogyasztás, dinamikus gyorsulás, nagyobb utasbiztonság jellemzi ma már a járműveket. Internetes forrásból pedig ma már sokféle autótípus járműszerkezete elérhető tájékoztató jelleggel. Ezeken hasonló arányú anyagfelhasználás megfigyelhető.
Egy másik példa szerint a Mazda a 2010-es évek elején bejelentette, hogy az újonnan fejlesztett CX-5 járművének lökhárító merevítésébe épít ultra-nagy szilárdságú acél alapanyagot, mely alkalmazással mintegy 20%-kal nőtt a lökhárító energiaelnyelő képessége és ugyanakkor a beépített elem tömege kisebb lett. Ezzel a teljes karosszéria tömegcsökkenése tekintetében a CO2 kibocsátás is csökkenhetett.
Kitekintésként elmondható, hogy a tervezők az acélipari szakemberekkel karöltve a szerkezetépítés, így a híd-, torony-csarnokszerkezetek építésénél is kihasználják a nagyszilárdságú acélok nyújtotta előnyöket. Ez utóbbiak esetén például a nagy fesztávú hídszerkezeteknél a lokális horpadás és kihajlás veszélyeinek elkerülése és így az önsúly/hasznos teher arány javítása, azaz a további anyagfelhasználás-csökkentés fontos tervezői cél lett. A 2. ábrán látható hídszerkezet a 2012-ben átadott Tokyo Gate Bridge elnevezéssel BHS500 és BHS700 nevű acélanyagból (Bridge High-performance Steel 500MPa és 700 MPa folyáshatárú acélok) készült. [3]
A nagyszilárdságú acélok szilárdságnövelési lehetőségei:
Ezen acélokat leginkább a szilárdságnövelés jellege szerint rendezik csoportba. Eszerint az alábbi módszerek ismeretesek. Képlékenyalakítás, szemcseméret csökkentés, ötvözés, hőkezelési eljárások – allotróp-, és allotróp átalakulás nélküli eljárások (kiválásos- és diszperziós keményedés), illetve kompozit anyagok felhasználásaként. [1][6]
A szilárdság növelésének lehetősége ugyanakkor a megmunkálhatóságot, vagyis a képlékenységet jelentősen csökkenti. Ezen ellentmondás feloldására figyeljünk meg a 3.ábrán látható diagrammot és annak egy-egy jellemző acéltípusát.
A diagrammon a szakítószilárdságot jelenítettük meg a szakadási nyúlás függvényében. A jellemző nagyszilárdságú acéltípusok területe látható. Az utóbbi két évtized acélfejlesztési törekvések eredményei is jól látszanak. Az alkalmazott ultra-nagyszilárdságú acélok mind megvalósítják a velük szemeben támasztott szilárdsági és alakíthatósági követelményeket.
HSLA acél (High-strength low-alloy steel)
Az első olyan nagyszilárdságú acél, melyet az autóipari karosszéria fejlesztések egyik alapjaként szokás említeni. 0,1-0,2%-os karbontartalma mellett 1,0-1,7% Mn-t tartalmaz. Ez a legjelentősebb ötvözője, melynek túlzott jelenléte már rontja az alakíthatóságot. Az acél anyagszerkezet szemcsefinomításért felelős mikro ötvözői: V, Nb, Ti, Al. Együttes mennyisége nem éri el a 0,12%-ot. A kis karbontartalom – amivel az alakíthatóság érdemben javítható -konverteres acélgyártási eljárásnak köszönhetően kézenfekvő megoldás ezen acéloknál.
DP acélok (Dual Phase Steel)
DP acélok (Dual Phase Steel) a HSLA acélok továbbfejlesztett változata. Nevében a kettős fázist az anyagszerkezete esetében a könnyebb alakíthatóságot, így a jó képlékenységet a lágy ferrit mátrix-szerkezet, míg a nagy szilárdságot diszperz eloszlású martenzit-szigetek beágyazódása jelenti. Erre az acélra speciális hőkezelési technológiát alkalmaznak a szilárdságnövelés emelésére pl. áthúzó kemencében, vagy sófürdőben történő hőkezelést, esetleg a meleghengerlést követő szabályozott hűtéssel valósítják meg.
Bórötvözésű mangán-acélok, HPF acélok
Bórötvözésű mangán-acélok az úgynevezett HPF acélok (Hot Press Forming). Jellemzően autóipari alkalmazásokra szánt melegalakításra kifejlesztett acéltípus. Főbb ötvözői a Mn (1,2-1,4% tartalom), illetve az előzőekben is megtalálható mikro ötvözőket is tartalmaz. (Al, Ti, Cr). Miután általánosságban a nagy szilárdság elérése folytán romlik az alakváltozó képessége az anyagszerkezetnek, ennél az acéltípusnál a megmunkálhatóságot technológiai fejlesztés útján érik el. A lényege, hogy az acéllemez szállítási állapotában mintegy 300-500 MPa folyáshatárral rendelkezik, amit a 900-950 °C hőmérsékeltre hevítve a melegalakítás utáni szabályozott hűtési folyamatban tudjuk fokozni 1000-1400 MPa folyáshatárra. A folyamat során az alakító szerszámban hűtjük a darabot legalább 50°C/s hűtési sebességgel, amivel biztosítható a stabil martenzites szövetszerkezet. Egy jellemző acéltípus, amely gyakran megjelenik járműipari szerkezetekben a 22MnB5.
TRIP acélok (Transformation Induced Plasticity)
TRIP acélok (Transformation Induced Plasticity) esetében fázisátalakulással indukált képlékenység útján végbemenő szilárdságnövelési mód a jellemző. Szövetszerkezete ferrit mátrix-szerkezetbe ágyazott minimum 5% maradó ausztenit és bénit, illetve martenzit fázisok. A C és a Si-tartalom praktikusan növeli a maradó ausztenit térfogati arányát a mátrix- szerkezetéhez képest. A nagyobb karbon tartalom megléte mellett a karbid kiválások megakadályozása lényeges, ezért ennek kézben tartására Si és Al ötvözők fontos ötvözők. Ebben az anyagszerkezetben a maradó ausztenit az alakváltozás növekvő mértékének arányában fokozatosan martenzitté alakul át. [8] Ezen szövetelem jelentősége nagy, hiszen ebben a szerkezetben további alakváltozást tud okozni és ez a többlet alakváltozás miatt az alakváltozási keményedése a DP acélét meghaladó mértékű, amellett, hogy nagyobb egyenletes nyúlást is mutat. Ezen acélok továbbfejlesztett változatai a harmadik generációs FB-TRIP, SB-TRIP, M-TRIP ultra-nagyszilárdságú acélok.
TWIP acél (Twinning Induced Plasticity)
TWIP acél (Twinning Induced Plasticity) ikerképződéses képlékenységgel rendelkező anyagok. A legújabb fejlesztésű, harmadik generációs U-AHSS (Ultra-Advanced High Strength Steels) nagy szilárdságú acélok között tartják számon. Fő ötvözője a Mn, ami 17-24%-ban van jelen és az akár szobahőmérsékleten történő teljes ausztenites állapotért felelős. A nevében említett alakváltozási folyamatában nagyszámú alakítási ikerképződés megy végbe, amivel biztosítható a mind finomabb mikroszerkezet, valamint a jó alakíthatóság is. Technológiai paraméterként megadható a szakítószilárdság, ami 1000 MPa mértékű, 65%-os teljes nyúlás mellett!
Összefoglalás
Elmondható, hogy az anyagtudomány területén kutató szakembereket folyamatosan ösztönzi a minél jobb mechanikai tulajdonság elérése akár szélsőséges körülmények figyelembevételével, de a szerkezetek önsúlyának csökkentése mellett. A szélsőséges terhelések valós körülmények között mindig felléphetnek, úgymint az ismétlődő igénybevételek és egyéb dinamikus hatások. A cél tehát ezen kutatási területeken a minél korszerűbb anyagok kifejlesztése, amelyek megfelelnek az előzőleg említett kihívásoknak.
Felhasznált irodalom:
| [1] | Gáti J: Hegesztési zsebkönyv, Cokom Mérnökiroda Kft. Miskolc, 2003 |
| [2] | Gáspár Marcell Gyula: Nemesített nagyszilárdságú szerkezeti acélok hegesztéstechnológiájának fizikai szimulációra alapozott fejlesztése, PhD értekezés, 2016 |
| [3] | IABSE-AIPC-IVBH: Structural Engineering Documents. Use and application of High-Performance Steels for Steel Structures – 8, 2005. |
| [4] | Dr. Zsoldos Ibolya – Dr. Hargitai Hajnalka: Korszerű anyagok és technológiák, Széchenyi István Egyetem, 2014, ISBN 978-615-5391-20-0 |
| [5] | Komócsin Mihály: Nagyszilárdságú acélok és hegeszthetőségük, Hegesztéstechnika, 2002/1, pp. 5–9 |
| [6] | Dr. Mészáros István: Szilárdságnövelés, Anyagismeret c. tantárgy előadása, 2019-2020 |
| [7] | Gáspár Marcell Gyula – Balogh András: A vonalenergia optimális tartománya nemesített nagyszilárdságú acélok hegesztésekor, Előadásvázlat, 26. Hegesztési konferencia, 2012 |
| [8] | Tisza Miklós: Járműipari acélfejlesztések, Gép c. folyóirat, 11.szám, 2012 |
| [9] | Tóth Tamás – Májlinger Kornél: Kiemelten nagyszilárdságú acélok ellenállás-ponthegesztett kötéseinek optimalizálása kísérlettervezéssel, Előadásvázlat, 29. Hegesztési konferencia, 2018 |
| [10] | Baránszky – Job, I.: Hegesztési kézikönyv, Műszaki Kiadó, Budapest, 1985 |