Çok fazlı (multiphase) çelikler

Transkript

1 Çok fazlı (multiphase) çelikler Çok fazlı çelikler ilk çift fazlı çeliklerin modifiye edilmesi ile geliştirilmiştir. Bu çeliklerin, fazla miktarda alaşım elementi ilavesi yapılmadan mümkün olan en saf hallerinde çoklu dayanım arttırma mekanizmaları ile mekanik özellikleri geliştirilmiştir. Alaşım elementlerinin miktarının artması maliyeti arttırdığı gibi kaynak kabiliyetini azaltmaktadır. Bu çeliklerde kullanılan özel dayanım arttırma mekanizmaları, çelikten istenilen özelliklere ve çelik üreticisinin yapabileceği ısıl işlem çeşitlerine göre seçilmektedir.

2 Sahip olduğu geniş tanımlama ile bu grup çok sayıda yüksek çekme dayanımlı çelik tipini içermektedir. Örnek olarak 980 MPa çekme dayanımına sahip çeşitli türler mevcuttur. Bunların uzama değerleri ve akma dayanımları birbirlerinden farklı olabilmektedir.

3 Yüksek dayanımlı çok fazlı çelikler, yolcu kompartımanı çevresinde deformasyonun sınırlı tutulması gereken yapısal parçalarda kullanılmaktadır. İmalatında bu çeliklerin kullanıldığı tipik parçalar şunlardır: Alt yan elemanlar (kapı eşik panelleri), B sütunu (merkezi sütun) dış desteği ve bağlantılı parçalar ile üst gövde tavan yapıları (özellikle devrilmeye karşı). Bu çelikler ayrıca önceleri HSLA ve SSS tipi çeliklerden yapılan koltuk rayı ve çerçevesinde de kullanılmaya başlanmıştır. Bu sayede ağırlık azaltılmasına katkı sağlanmıştır.

4 Soğuk Haddelenmiş Martenzitik ve Isıl işlemli Bor Çelikleri (Cold Rolled Martensitic and Heat Treated Boron Steels) Matrisi martenzitçe zengin ve az miktarda beynit ve/veya ferrit içeren martenzitik çelikler östenit-ferrit bölgesinden su verme (hızlı soğutma) ile üretilmektedir. Otomotiv sanayinde martenzitik çelikler farklı metotlar ile üretilebilmektedir. Bu mikroyapı, çelik rulosu üretilirken ya da yüksek sertleşebilirliğe sahip çelikten parça preslendikten sonra oluşturulabilir. Rulo formunda bu işlem su soğutma ile yapılmaktadır. Rulo soğuk hadde ürünü ise sürekli tavlama çıkışında soğutma yapılırken, sıcak hadde ürünü ise bu işlem hadde çıkışı tablasında yapılmaktadır.

5

6 Su verme işlemi ile martenzitik çeliklerin ulaşacağı dayanım değeri karbon miktarı ile değişmektedir. % 0,09 C ve % 0,50 Mn içeren bir çeliğin çekme dayanımı MPa a ulaşırken karbon oranının % 0,23 e yükselmesi çekme dayanımını MPa aralığına çıkarmaktadır. Bu dayanım artışının maliyeti, oldukça azalarak % 5 lere kadar düşen süneklik olmaktadır. Ancak yine de rulo şekillendirme veya eğme ile şekillendirme için yeterli süneklik bulunmaktadır. Otomotiv uygulamalarında martenzitik çelikler, kapı iç kirişleri, tampon panelleri, hafif ve yüksek dayanımlı kapı eşik panelleri ve çeşitli yapısal çapraz bar ve kirişlerin üretimi için çok kullanışlıdır. Yolcu kompartımanını deformasyondan korumada etkili bir ürün grubunu oluşturmaktadır.

7 Martenzitik yapıya sahip çeliklerin bir diğer üretim yöntemi de martenziti şekillendirmeden sonra yerinde (in situ) oluşturmaktır. Bu işlem için geliştirilen bir yöntem su soğutmalı pres kalıpları kullanmaktır. Basma öncesi basılacak sac parçalar (blanks) dönüşüm sıcaklığı üzerine ön ısıtılır ve şekillendirme sonrasında suyla soğutulan kalıpta parça mikroyapısının martezitik dokuya dönüşmesi sağlanır. Sanayide bu işlem sıcak preslme (hot stamping) ya da kalıpta su verme (die quenching) olarak adlandırılmaktadır. Preste sertleştirme (press hardening) tabiri de ayrıca kullanılabilmektedir.

8 Taşıt araçlarında yakıt ekonomisi ve güvenlik düzenlemeleri sıkılaştıkça martenzitik yapılı çelik parçaların su soğutmalı kalıplarda üretimi yaygınlaşmıştır. Kalıpta suyla soğutmanın soğuma hızı doğrudan suyla soğutmaya göre düşük olduğu için bu işlemlerde kullanılan çeliklerin sertleşebilirliği daha yüksek olmalıdır. Sertleşebilirliğin arttırılması karbon miktarının % 0,20-0,25 aralığında olması, % 1,2 Mn bulunması ve % 0,0005-0,001 B ilavesi ile sağlanmaktadır. Sanayide sıcak preslemede kullanılan çelikler genellikle bor çeliği olarak bilinmektedir.

9 Sıcak veya soğuk hadde formunda üretilmiş, sıcak preslenmiş tamamen martenzitik bor çeliklerinin avantajı, yüksek sıcaklıkta dolayısıyla yüksek süneklikte preslenmeleridir. Böylece martenzitik çeliklerin geleneksel preslenmesine göre çok daha karmaşık parçalar imal edilebilmektedir. Dezavantaj ise kalıpta soğutma işlemi nedeniyle çevrim süresinin uzaması ve kalıp maliyetinin yüksek olmasıdır. Dakikada on iki ve ya daha fazla parça preslenebilen geleneksel çelikler ile kıyaslandığında sıcak presleme ile dakikada bir parça basılabilmektedir. Ne var ki bu hız birden fazla parça presleyebilecek kalıplar tasarlanarak arttırılabilir.

10

11 TRIP (Tranformation Induced Plasticity) Çelikleri TRIP çeliklerinin üretim tarzı çift fazlı çeliklere (DP) benzemektedir. Bunların her ikisi de sürekli tavlama hattına gereksinim duyar. Yalnız TRIP çeliklerinde soğuma hızı biraz daha düşüktür ve dönüşüm (östenit-ferrit) sıcaklığı altında izotermal bir bekleme aşaması vardır. Bu izotermal bekleme aşamasıyla birlikte daha yüksek karbon oranı, silisyum ve alüminyum içeriği ile mikroyapıda fark edilebilir oranda artık östenit oluşturulmaktadır.

12

13 TRIP çeliklerinin mikroyapısı ferrit fazı arası dağılmış martenzit ve beynit sert fazları ile % 5 ten daha fazla artık östenit içermektedir. Önceki sayfada tipik kimyasal kompozisyonu verilen TRIP çeliğinin çekme dayanımı MPa arasındadır. TRIP çeliklerinin sağladığı birincil fayda benzer dayanımdaki çift fazlı çeliklere oranla şekillenme kabiliyetinin daha yüksek olmasıdır. Yüksek şekillenebilme seviyesi bu çeliklerin sahip olduğu son derece yüksek deformasyon sertleşmesi (work hardening) kapasitesine dayanmaktadır. Bu durumun oluşmasının altında yatan neden ise matriste bulunan östenitin deformasyon sırasında martenzite dönüşmesidir.

14

15 TRIP 690 çeliğinin mikroyapısı

16 Şekillendirmede, matrisin de dayanımını arttıran östenit-martenzit dönüşümünün sağladığı yüksek oranda deformasyon sertleşmesine bir de yumuşak ferrit matrisin avantajı eklendiğinde şekillenebilme kabiliyeti oldukça yükselmektedir.

17 Önceki sayfada verilen tablodan da anlaşılacağı üzere TRIP çeliklerinin şekillenebilirliği daha çok düşük karbonlu çeliklere benzemektedir. Sonuç olarak bu çelikler görece karmaşık şekilli ancak yüksek dayanım istenen pres parçaların üretiminde son derece kullanılabilirdir. TRIP çeliklerinin geliştirilmesine kadar böyle bir duruma uygun yaygın üretilen çelik tipi bulunmamaktadır. Ancak bu çeliklerin dezavantajları da vardır ve bunlardan en önemlisi yüksek alaşım elementi içeriğinin karbon eşdeğerliğini yükseltmesi ve punto kaynak kabiliyetini düşürmesidir. Bu önemli dezavantaj TRIP çeliklerinin uygulamalarının genişlemesi önünde bir engeldir. Zamanla kaynak pratiklerinin gelişmesi veya diğer birleştirme tekniklerinin daha çok tercih edilir olması bu çeliklerin kullanımını ve üstün özelliklerinden faydalanılmasını yaygınlaştıracaktır.

18 Kompleks Fazlı Çelikler (Complex Phase, CP) Kompleks fazlı çelikler kompozisyon açısından TRIP çeliklerine benzerler sadece daha az oranda artık östenit içerecek şekilde ayarlanırlar. TRIP çeliklerindeki yüksek hacim oranlı artık östenit yerine kompleks fazlı çeliklerde ince taneli ferrit ve sert fazlar arasında dağılmış ince çökeltiler bulunmaktadır. Bu çeliklerin çökelme sertleşmesi göstermesi, TRIP ve çift fazlı çeliklerin normal alaşım elementlerinin yanında niyobyum, titanyum ve/veya vanadyum katılmasıyla sağlanmaktadır.

19 Sonuç olarak elde edilen malzeme 800 MPa ve üstünde dayanım göstermektedir. Şekillenme kabiliyeti TRIP çeliklerine yaklaşamasa bile yüksek dayanım daha az alaşım elementi içeriği ile elde edilmekte ve düşük maliyetle kaynak kabiliyeti arttırılmaktadır.

20 TWIP (Twinning Induced Plasticity) Çelikleri TWIP ve L-IP (Lightweight Steels Induced Plasticity) çelikleri ileri yüksek dayanımlı çeliklerin (AHSS) son neslini oluşturmaktadır ve otomotiv piyasası için geliştirilmiştir. Bu çelikler önceki nesil çeliklerin oldukça ötesinde çok yüksek çekme dayanımı ile olağanüstü sünekliği birleştirmek için tasarlanmıştır. Birinci nesil ileri yüksek dayanımlı çeliklerdeki ferritik matris yerine bu ikinci nesil olanlarda yüksek mangan miktarının sağladığı KYM östenitik yapı bulunmaktadır.

21 Bu çeliklerin geliştirilmiş bazı tiplerinde çekme dayanımı 1000 MPa dır ve uzama değeri % 50 nin üzerindedir. Ancak bu yüksek dayanım ve sünekliğin birleşmesinin ciddi bir maliyeti vardır. % 20 yi aşan Mn oranı ile bu çeliklerin fiyatı bazı paslanmaz çelik ve alüminyum alaşımlarının fiyatına yaklaşmaktadır. Bu durum maliyet hassasiyetinin çok yüksek olduğu otomotiv sanayinde çok önemli bir meydan okumadır. İleri yüksek dayanımlı çeliklerin bu son nesli aslında yeni bir icat değildir. TWIP çeliklerine benzer yüksek Mn lı östenitik çelikler 1880 lerin başında Hadfield tarafından geliştirilmiştir. Pek çok çelik tipi gibi bunun da keşfi ve yeniden keşfi arasından uzun bir zaman geçmiştir.

22 Bu çeliklerin eşsiz olan özelliği bütün sıcaklıklarda tamamen östenitik bir yapıya sahip olması ve şekillendirmede sırasında geleneksel şekilde düzlemlerin birbiri üzerinde kayması ve dislokasyon hareketleri ile deforme olmanın yanında tane içlerinde de ikizlenmenin oluşmasıdır. İkizlenme ile oluşan sınırlar da tıpkı tane sınırları gibi dislokasyon hareketlerini sınırlayıcı etki göstermektedir.

23

24 Bir TWIP çeliğinin (Fe 25Mn-3Si-3Al) mikroyapısı

25 Üçüncü Nesil İleri Yüksek Dayanımlı Çelikler (Third Generation AHSS)

26 Mikro Alaşımlı Çelikler Bu çelik grubu otomobil gövde parçalarında değil de daha çok güç aktarım, süspansiyon ve direksiyon gibi alt sistem parçalarında tercih edilmektedir. Otomotiv sanayinde kullanılan mikro alaşımlı çeliklerin karbon oranı % 0,3-0,6 arasındadır ve bu çelikler mikro alaşım elementi olarak düşük miktarda (~ % 0,05-0,15) vanadyum içermektedir. Vanadyum, sıcak dövme sonrası havada soğuma sırasında karbür ve nitrür çökeltileri oluşturmaktadır.

27 Havada soğumanın ardından temperlemeye (menevişlemeye) gerek yoktur. Görece yumuşak ferritik-perlitik matrisin içindeki çökeltiler çeliğin dayanımını yükseltmektedir. Mikro alaşımlı çelikler iyi bir dayanım ve tokluk kombinasyonu sunmaktadır. Bu birleşim tane incelmesi, inklüzyon kontrolü ve dövme şartlarının iyileştirilmesi ile geliştirilebilir. Mikro alaşımlı çeliklerin akma dayanımı ve uzama miktarı benzer karbon oranına sahip geleneksel dövme çeliklerinden daha yüksektir. Yorulma dayanımı da ayrıca daha fazladır.

28 Bunların dışında mikro alaşımlı çelikler su verme ve temperlemeye ihtiyaç duymazlar. Bu durum maliyet avantajı sağladığı gibi ısıl çarpılma ihtimalini de ortadan kaldırmaktadır. Araçlarda mikro alaşımlı çelikler biyel kolu (connecting rod), tekerlek poryası (wheel hub) ve direksiyon mafsalı (steering knuckle) gibi parçaların üretiminde tercih edilmektedir.

29 Tekerlek poryası (Wheel hub)

30 Direksiyon mafsalı (Steering knuckle)

31 Hafif Otomotiv Yapılarının Çeliklerle Tasarımı Otomotiv mühendislerinin yeni bir araç tasarlarken üstesinden gelmesi gereken birinci zorluk, yüklerin ve kaza enerjisinin nasıl karşılanacağı ve ana bileşenler ile alt sistemlerin sınırlı bir hacme nasıl yerleştirileceğidir. Tasarımcılar için bileşenlerin dayanımı ve onların yük taşıma ve dağıtma kabiliyeti kritik seviyede önemlidir. Kritik önemdeki gövde parçalarının sayısını belirlemek kolay değildir. Üreticiler genellikle imalat kolaylığı sağladığı için büyük parçaları küçük parçalara bölerek üretmeyi tercih edebilmektedir. Tasarıma bağlı olarak tam sayısı değişmekle birlikte otomobil gövdeleri adet parçadan oluşmaktadır ve bunların tanesi ana parçadır.

32

33 Önceki sayfada verilen araç gövde yapısı görselinde motor kaputu (hood or bonnet), çamurluklar (fenders), kapılar ve bagaj kapağı (rear decklid or boot) gibi kapatıcı (dış) paneller gösterilmemiştir. Çünkü bu parçalar araçlarda yapısal olarak kritik sayılmamaktadır. Bir aracın tipik ön yapısında birincil yük taşıyan elemanlar şunlardır: Tampon paneli (barı), şasi ön ayakları, (motor compartment rails) ve gövde altı yan raylardır (underbody side rails). İlave parçalar ise tekerlek yuvası, şasi duvarı ve menteşe ayağıdır. Bu parçaların tamamı enerji sönümlemeye katkı sağlasa da çarpışma enerjisinin izlediği birincil yol tampon paneli, şasi ayakları, motor yatağı (travers) ve gövde altı yan raylardır.

34

35

36 Bu basitleştirilmiş görünüme göre tampon paneli (barı) darbe yükünü ilk alan parçadır ve bu yükü şasi ön ayaklarına aktarmaktadır, kalan enerji ise gövde altı yan raylara iletilmektedir. Bu durumda tampon paneli darbe yükünün mümkün mertebe büyük kısmını karşılamalı ve geriye doğru iletmelidir. Tampon paneli deformasyona dirençli olarak tasarlanmaktadır ve bu parçanın üretiminde yüksek çekme dayanımına sahip çelikler tercih edilmektedir. Çift fazlı veya martenzitik çelikler yaygın kullanılan malzemelerdir. Rulo şekillendirme de tampon panelleri için en etkili ve düşük maliyetli imalat tekniğidir.

37

38 Diğer taraftan şasi ön ayakları da enerjiyi sönümlemeli ve yolculara aktarılan enerji miktarını azaltmalıdır. Yüksek miktarda enerji sönümleyebilmek için şasi ön ayakları kontrollü deforme olacak şekilde tasarlanır. Bu parçaların üretiminde önceleri geleneksel yüksek dayanımlı çökelme sertleşmeli veya karbon mangan çelikleri kullanılırken, sonraları enerji sönümleme kabiliyeti daha yüksek olan çift fazlı çelikler (DP600, DP800 gibi) tercih edilmeye başlamıştır. Mühendisler şasi ön ayaklarını, kaza sırasında daha fazla enerji sönümleyebilmesi için akordeon şeklinde katlanacak biçimde tasarlamaktadır. Eksenel yükleme altında oluşan bu katlar daha fazla enerjinin karşılanmasını sağlamaktadır.

39

40 Araç tasarımındaki güvenlik kafesi (safety cage) konsepti yanal yapı söz konusu olduğunda daha da önemli hale gelmektedir. Yanal yapıda yolcu kompartımanına girmeden kaza enerjisini sönümleyecek boşluk yok denecek kadar azdır. Yanal darbelere karşı durmak tasarımcıları en çok zorlayan husustur. Yanal darbelerde temel olarak yükleme yönü B sütununa (merkezi sütun) doğrudur. Araçların dış kabuğu çoğunlukla düşük karbonlu veya BH çeliklerinden üretildiği için yük taşımaya çok fazla bir katkısı bulunmaz. Yanal yapıda B sütunu dış desteği, kapı eşiği, ve tavan rayları gibi iç yapısal parçalar temel yük taşıyıcı elemanlardır.

41

42

43 Yanal darbelerde B sütunu dış desteği ile kapı eşiği en çok yük taşıyan parçalardır ve bu nedenle en önemli yapısal elemanlardır. Yanal darbelerde deformasyona yolcu bölümüne girmeden izin verilebilecek boşluk neredeyse hiç olmadığı için bu parçalar en yüksek dayanıma sahip olacak şekilde tasarlanır. B sütunu dış desteği için uygun olan en yüksek dayanımlı çelik türü martenzitik çeliklerdir. Bu çeliklerin oda sıcaklığında şekillendirilmesi zayıf olduğu için sıcak presle şekillendirilmiş bor çelikleri tercih edilmektedir.

44 Yan darbelerde tavan rayları önemli bir görev üstlenmektedir. Kaza enerjisi B sütunundan tavan raylarına ve kapı eşiğine aktarılmaktadır. Bu parçalar için de preste sertleştirilen çelikler en uygun olanlarıdır. Yolcuların kafa ve boyun travmalarına maruz kalmalarını önlemek için yan darbelerde enerjinin büyük kısmının aracın alt kısmına yönlendirilmesi uygun tasarımla sağlanabilmektedir. Yüksek miktarda enerji B sütunundan tavan rayına aktarıldığı zaman tavan kemeri de deforme olabilir. Yüksek dayanımlı tasarlanan tavan kemerleri yükü karşı raya aktarabilmektedir.

45

46 Arkadan meydana gelebilecek çarpışmalarda araçların arka yapısal elemanları tıpkı öndekiler gibi davranmaktadır. Bu kısımda ilave olarak korunması gereken yakıt tankı bulunmaktadır. Devrilmelerde ise üst ve yan yapılar tıpkı yan darbelerde olduğu gibi koruma etkisi göstermektedir sadece yükleme yönü terse dönmüştür. Yüksek dayanımlı tavan rayları ve B sütunları tavanın içeriye çökmesini önleyerek yolcuları korumaktadır.