MMT209 Çeliklerde Malzeme Bilimi ve Son Gelişmeler 7 Otomotiv uygulamalarında yüksek mukavemetli çelikler

Transkript

1 MMT209 Çeliklerde Malzeme Bilimi ve Son Gelişmeler 7 Otomotiv uygulamalarında yüksek mukavemetli çelikler Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir Güz Yarıyılı

2 2010: 58,5 milyon otomobil/yıl (Tüm dünyada) Body in white (Beyaz gövde): 300 kg (+ kapılar, motor kaputu 150 kg) Malzeme kullanımı: 900 kg sac Gereksinim: 53 milyon sac/yıl 2002: Gelişmekte olan ülkelerde üretimin % 25 i 2020: 65 milyon otomobil/yıl (Tüm dünyada) Gelişmekte olan ülkelerde üretimin % 50 si o Otomobil gövdesi için çelik üretimi büyük miktarlardadır. o Gelişmiş ülkelerde hızla büyüyen bir talep var. Otomotiv uygulamalarında çeliklerden beklenen gereksinimler 2

3 Uçaklar: - Boş ağırlık A350 XWB: 130 ton - Bunun % 6-7 si çelik 9 ton Otomobiller: - Boş ağırlık BMW 5 serisi: 1,6 ton - Bunun % 46 sı çelik 0,7 ton - Bir A350 de 13 BMW 5 üretmeye yetecek kadar çelik var! - Otomobil sanayi en büyük çelik tüketicisi ve çelikteki gelişmeleri tetikleyicidir. - Bugün 2000 den fazla çelik türü var. - Bugünkü otomobil karoserleri iyi şekillenebilen ve yüksek mukavemetli çelikler üzerine kurulmuştur (Dual fazlı, çok fazlı ve hot stamping çelikleri gibi). - Günümüzde dış gövdede sadece 0,6 mm kalınlığında iyi şekillendirilebilen, galvanizli çelik saclar kullanılmaktadır (Bake hardening ve derin çekilebilir çelikler). Çelikler ve hafif yapı Kaynak: IWT Bremen,

4 Milyon araç/yıl Gelişmiş ülkeler Gelişmekte olan ülkeler Dünya Yıl 2020 yılına kadar tahmini otomobil satışı 4

5 18. Türkiye % -9 İspanya % -15 Fransa % -13 Brezilya % 4 Hindistan % 7 ABD %38 G.Kore % -1 Almanya % -8 Japonya % 20 Çin % 4 Kaynak: International Organization of Motor Vehicle Manufactures, OICA, Paris Otomobil üretimi x1000 (2012 yılı) yılı değişimi, % Dünya binek otomobil üretimi

6 18. Türkiye % 10 Fransa % -13 İspanya % 12 Brezilya % 6 Hindistan % -5 G.Kore % -1 ABD %6 Almanya % 1 Japonya % -4 Çin % 17 Kaynak: International Organization of Motor Vehicle Manufactures, OICA, Paris Otomobil üretimi x1000 (2013 yılı) yılı değişimi, % Dünya binek otomobil üretimi

7 1959 ve 2012 model Mini Cooper karşılaştırması 7

8 Austin Mini 1959 BMW Mini 2012 Değişim, % Length overall, m Width overall, m Kerb weigth, kg Engine 4 cylinder,8v,petrol 4 cylinder,16v,petrol - Engine displacement, ml Max. power, bhp Compression ratio 8.5:1 10.6:1 +25 Max. torque, Nm Gearbox (manual) 4 speed 6 speed - Power assisted steering No Yes - Seat belts No Yes - Max. speed. Km/h Acceleration Km/h, s Fuel consumption, mpg 45 (touring) 42.2 (EU cycle) -6 CO 2 emissions Not required in g/km - Power/weight ratio, bhp/kg Crash requirements Not required in 1959 EuroNCAP ve 2012 model Mini Cooper karşılaştırması 8

9 Maliyet - Üretim - İşletme maliyetleri - Bakım Çevresel etkiler - Enerji tüketimi - Geri dönüşüm Üretim - Şekillendirebilirlik - Birleştirebilirlik - Boyanabilirlik Malzeme Fiziksel karakteristikler ve kalite - Mukavemet, rijitlik, dayanım - Çarpışma kapasitesi - Boyutsal doğruluk Stil/iç hacim optimizasyonu - Tasarım özgürlüğü - Kesitler - Yüzey kalitesi Otomobil gövdesindeki geliştirmeye yönelik eğilimler 9

10 Proses geliştirme Malzeme tasarımı?? TWIP çeliği CP (Kompleks fazlı) çelik PM (Kısmi martenzitik) çelik SULC (Süper ultra düşük karbonlu) çelikler TRIP - çelikleri IF çelikleri (R m > 350 MPa) Dual fazlı çelikler Bake-hardening çelikler(r e > MPa) P içeren çelikler (R e > MPa) Mikroalaşımlı çelikler R e > MPa) Temper hadde çelikleri İzotropik çelikler R e > 250 MPa) ten beri otomotiv sanayinde kullanılan çeliklerin gelişimi 10

11 Otomobillerde yüksek mukavemetli çelik sac kullanımı 11

12 Günümüzde Dual fazlı (DP) çelikler otomobil üreticileri için önemli ve olmazsa olmazsa bir çelik türüdür. DP çeliklerin üretilebilirliği eskiden mümkün değildi, çünkü fabrikalarda sürekli tavlama hatları yoktu. Bu nedenle, önce sıcak haddelenmiş şerit üretiliyor ve sonra bobinler tavlanıyordu. Bu işlem aynı zamanda yüksek alaşım elementi gerektiyordu. Teknoloji gelişimi; yüzey koruyucu kaplama (sıcak daldırma galvanizleme hattı) için gerekli sürekli tavlama hatları 1975: Dual fazlı çelik konseptinin geliştirilmesi 1995: Kütlesel üretim için uygun ekipman teknolojisinin gelişmesi Örnek 1: Dual fazlı çelikler 12

13 Endüstriyel üretim Pres sertleştirilmiş çelikler Michelin: DP Tekerlek diski DP Yapısal parçalar TRIP Yapısal parçalar PM Çelikler Ford: DP açıklaması Pilot üretim Chrysler Dual Phase oto gövdesi ULSAB- AVC Complex Phase çelikler TWIP çelikleri Yüksek Mn çelik ULSAB Araştırma Yoğun DP araştırmaları Fe-Ni-allaşımları Zackay, 1950 "TRIP" TRIP Paslanmaz çelikler NSC:TRIP Otomobil uygulamaları Frommeyer TWIP çelikler Otomotiv uygulamalarında çok fazlı çeliklerin kronolojisi Çok fazlı çeliklerin kronolojik olarak doğuşu 13

14 Sürekli tavlama hatlarının gelişimi 14

15 ULSAB - İlk global araştırma projesi (35 çelik firması) - Tüm endüstriyel olarak üretilebilir olmalıydı - Yüksek mukavemetli korozyona dayanıklı yassı ürünler - Malzeme odaklı tasarım - Optimize edilmiş üretim Ağırlık tasarrufu % 25 - Daha fazla bilgi " Oto gövde ağırlığı (kg) ULSAB Sonuçları Mukayese ortalamalası ULSAB Fark (%) % Ultra Light Steel Auto Body (ULSAB) Ultra Hafif Çelik Otomobil Gövdesi 15

16 ULSAB-AVC - Endüstriyel üretilebilir çelikler - 74% dual fazlı çelikler Dual fazlı çeliklerin karakteristikleri - Yüksek mukavemet seviyesi - İyi soğuk şekillendirebilirlik - Paslanmaz çelikler: 2-3 kat daha pahalı - Al, Mg: daha pahalı, daha hafif kaynak: ULSAB-AVC (Advanced Vehicle Concepts-İleri Araç Konseptleri) 74% Dual phase 10% Bake hardenable 4% Martenzitik 4% Yüksek muk. IF 3% TRIP 1% Complex phase 1% HSLA 3% Diğer 16

17 ULSAB ve ULSAB-AVC de uluslararası projelerde kullanılan çelikler 17

18 Farklı çelik tiplerinin kullanımı Kaynak: BTU, Cottbus 18

19 Wassermann, G.: Archiv für das Hüttenwesen 10 (1937), p (Fe-30%Ni) Faz dönüşümü nedenli olarak Fe-Ni alaşımlarında oldukça yüksek uzama miktarları elde edilebilir Zackay, V.F., Parker, E.R., Fahr, D., Busch, R.: Trans. ASM 60 (1967), p (Cr+Ni steels) TRIP ismi kelimelerin ilk harflerinden türetilmiştir. Transformation Induced Plasticity, Dönüşüm Katkılı Plastiklik. Örnek 2: TRIP çelikleri 19

20 TRIP etkisinin karakteristikleri 20

21 1. Metalurjik adlandırmaya göre sınıflandırma: LC HSS AHSS HMS Düşük karbonlu Yüksek mukavemetli Geliştirilmiş HSS Yüksek Mn Çelik IF IF-HS DP TRIP Arayer atomsuz çelik Yüksek mukavemetli IF Dual fazlı çelik Trip çeliği Mild IS CP TWIP Düşük karbonlu Yüksek mukavemetli Kompleks fazlı çelik Twip çeliği BH TRIP Bake hardening çeliği CMn Trip çeliği MART Karbon çeliği Martenzitik çelik HSLA Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelik AHSS çok fazlı çelikler olup, yapısında martenzit, beynit ve kalıntı östenit gibi fazlar oluşturularak mekanik özellikleri artırılır. HSLA çeliklerine göre AHSS çelikleri yüksek mukavemetin yanı sıra çok iyi bir şekillendirebilirliğe sahiplerdir. 2. Akma mukavemetine göre sınıflandırma: Düşük mukavemetli çelikler YS < 210 MPa HSS (Yüksek muk. çelikler) YS MPa UHSS (Ultra yük. muk. çelik) YS > 550 MPa 3. Çekme mukavemetine göre sınıflandırma: Düşük mukavemetli çelikler TS < 270 MPa HSS (Yüksek muk. çelikler) TS MPa UHSS (Ultra yük. muk. Çelik) TS > 700 MPa Tanımlar 21

22 Düşük mukavemetli, yüksek mukavemetli (HSS), ileri yüksek mukavemetli (AHSS) ve yüksek Mn içeren çeliklerde uzama ve çekme mukavemeti 22

23 Çelik Mikroyapı Karakteristikler LC Low Carbon Düşük Karbon HSS High Strength Steel Yüksek Mukavemetli Çelik AHSS Advanced High Strength Steel Geliştirilmiş Yüksek Mukavemetli Çelik HMS High Mn Steel Yüksek Mn Çeliği + + B + R + + B + yada yüksek miktarda - Yumuşak: Alaşımsız Al-söndürülmüş düşük karbon çeliği; DQ, ekstra derin çekmeye uygun - IF: arayer atomu içermeyen çelik; mikroalaşımlı ekstra derin çekmeye uygun - BH: bake hardening çeliği, bu çeliğin boyanması sırasında fırınlama yapıldığında C ile yaşlanma sayesinde ek bir mukavemet katılabilir - IF-HS: yüksek muk. IF çeliği, Mn ve P ile sertleştirilmiş - P: P alaşımlı yüksek mukavemetli çelik - IS: Izotropik akma davranışı göstren çelikler, Ti ve Nb mikroalaşımlı - CMn: Katı ergiyik serleşmesi için C, Mn ve Si içeren çelikler - HSLA: Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelik, Nb veya Ti mikroalaşımlama ile sertleştirilmiş - DP: Dual fazlı çeliker, % 5-30 Martenzit ve ferrit içeren mikroyapı -TRIP: Dönüşüm katkılı plastisite gösteren çelik, ferrit, beynit ve kalıntı östenit içeren mikroyapı - PM: Kısmi yada tamamen martenzitik çelikler - CP: Kompleks fazlı çelik, ferrit, beynit ve martenzit karışımı mikroyapı - HMS-TRIP: Gerinme katkılı ' dönüşümü gösteren bir alaşım tasarımına sahip çelik - HMS-TWIP: Deformasyon etkisiyle mekanik ikizlenmeler gösteren bir alaşım tasarımına sahip çelik Çeliklerin mikroyapıları ve karakteristikleri 23

24 Steel type Designation C Mn Si Al P Cr Nb Ti V BH H180BD ) IF-HS H260YD P H220PD HSLA H320LA DP H300X H340X PM MS1000-W TRIP RA700K RA800K HMS TRIP TWIP TWIP ) batch annealed 24 Bazı HSS çeliklerin kimyasal bileşimleri

25 düşük Önem yüksek PHS+corr. protection düşük Öncelik yüksek Otomobil ve çelik üreticilerinin önemli öncelikleri 25