22MnB5 çelik sacların elektrikli ısıtma ile preste sertleştirme işleminin metalurjik analizi ve mekanik davranışlara etkisi
Influence of the conductive heating on press hardening on mechanical and metallurgical properties of 22MnB5 steel sheets
Yazar: İSMAİL ÖZCAN
Danışman: DOÇ. DR. HAYDAR LİVATYALI ; YRD. DOÇ. DR. MURAT BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Çelik sac = Steel sheet

Özet:
Otomotiv endüstrisinde çarpma-kaza emniyeti ve konfor taleplerinin yükselmesine paralel olarak araç donanımları arttırılmakta ve bu da beraberinde otomobillerde ağırlık artışına neden olmaktadır. Araç ağırlığı arttıkça, yakıt tüketimi ve CO2 gibi gazların emisyon değerleri yükselmektedir. İklim değişiklikleri üzerindeki etkileri göz önüne alınarak, gaz emisyon değerlerinin düşürülmesine yönelik çalışmalar ciddiyetle yapılmaktadır. Öte yandan; petrol fiyatlarının yükseldiği bir dönemde otomobil ağırlığının azaltılması da ayrı bir motivasyondur. Ağırlık artışına karşılık, hafif ve mukavemetli malzemelerden oluşan konstruksiyonlar üzerinde, yoğun bir şekilde durulmaktadır.Bu hedefe ulaşırken izlenmesi gereken yol; dayanım/yoğunluk oranının optimize edildiği sac metallerin tercih edilmesidir. Bir tercih, hafif metal malzemelerin kullanılmasıdır. Bir diğer tercih ise geleneksel yöntemle üretilen otomobil parçalarına kıyasla; aynı veya çok daha iyi çarpışma performansı sergileyen, kalınlığı ve ağırlığı düşük, yüksek dayanımlı çelik sacların kullanılmasıdır. Yüksek dayanımlı çelik sacların uygulamaları; geri yaylanmadaki artış ve şekillendirilme kabiliyetinin düşüşü ile bağlantılıdır. Çekme dayanımındaki artış ile kopma uzamasında bir düşüş meydana gelir ve şekillendirilebilirlik sınırlanır. Bu nedenle; karmaşık geometri ve boyutsal doğruluk imkansız hale gelmektedir. Geleneksel üretim yönteminin bu dezavantajı, preste sertleştirme işlemi ile telafi edilebilmektedir.Sıcak sac şekillendirme ve preste sertleştirme, karmaşık geometrili ve yüksek dayanım gerektiren otomobil parçalarının üretilebildiği bir teknolojidir. Bu proses, çelik saclar için ısıl işlem ve şekillendirmenin birleştirildiği bir sertleştirme işlemidir. Sıcak çelik sacın, yüksek şekillenme kabiliyetinden yararlanılarak, karmaşık geometrili parçaların imalat mümkün hale gelebilmektedir. Preste sertleştirme işleminde en yaygın kullanıma sahip sertleştirilebilen sac malzeme 22MnB5'tir.Preste sertleştirme ile üretilen otomobil parçaları ve bu teknolojinin kullanıcıları gün geçtikçe artmaktadır. Ancak; bu prosesin verimlilik ve ekonomik açıdan geliştirilmesi gereken birçok yönü mevcuttur. Bu metodun dezavantajlarından birisi, şekillendirme öncesi sacın ısıtılması için harcanan enerjidir.Sac ısıtma tekniğinde alternatif yöntem; elektrik akımı ile ısıtmadır. Bu projede, sac metallerin elektrik akımı ile ısıtılarak preste sertleştirilmesi geliştirilmiştir.Bu çalışma kapsamında, özellikle otomotiv endüstrisinde kullanılan alüminyum kaplamalı 22MnB5 çelik saclar, Joule prensibine göre hızlı ısıtma imkanı sağlayan elektrikli ısıtma tekniği veya geleneksel fırında ısıtma tekniği ile östenitlenerek preste sertleştirme işlemine tabi tutulmuştur. Elektrikli ısıtma tekniğinin fırında ısıtma tekniğine nazaran; düşük enerji tüketimi, az yer kaplama ve düşük maliyet gibi bir takım avantajları bulunmaktadır. Preste sertleştirme sonrası, numuneler üzerinde mikroyapı ve mekanik karakterizasyon için optik mikroskop ve sertlik ölçümleri, çekme ve yüksek hızda darbe testleri yapılmıştır.Preste sertleştirme işlemi, oda koşullarında ferrit-perlit mikroyapısına sahip sacı, süneklik ve darbe dayanımındaki düşüşe karşılık; gerek sertlik gerekse dayanımdaki güçlü artışla martensitik yapıya dönüştürmektedir. Bunun yanısıra; kullanılan farklı ısıtma tekniklerinin kıyası açısından, malzemenin mikroyapı ve mekanik özelliklerinde anlamlı bir fark bulunmadığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Recently, the weight of automobiles increased, because the requirements on crash-safety and comfort have gone up, and the vehicles are equipped with comprehensive accessories. The weight increase is leading to higher fuel consumption and the involved emissions, for example of CO2. This is in conflict with the effort of the reduction of emissions to decrease the influence on climate change. Another motivation for the reduction of weight of automobiles is the increase of fuel prices. Against increasing weight of vehicles, the trend to develop effective light weight and strength construction strategies can be noted intensively.One important strategy to reach this target is the reduction of the weight of car bodies by using sheet metal with an optimised rate of strength to density. On the one hand it is possible to use light metal materials. On the other hand the potential of high strength steel grades can be used to produce car components with reduced sheet metal thickness and weight, which have the same or a better crash performance compared to conventionally manufactured parts. The application of high strength steels is normally connected to an increase of spring back and a decrease of formability. A decreased fracture elongation occurs generally together with an increased tensile strength. This caused limited formability. Therefore it is not possible to realise complex geometries and contouring accuracy with these materials. Press hardening allows to compensate the disadvantages of machining in conventional manufacture processes.Hot stamping followed by press hardening is one technology to manufacture complex highest-strength automotive components with steels. This process combines the shaping and heat treatment of a sheet metal material with the objective of hardening. It is possible to produce sheet metal parts with complex geometries and contouring with lower forming capacity by using heated blanks. A representive and mostly used steel for press hardening is the quenchable steel 22MnB5.The number of automotive part which are manufactured by press hardening and the number of users of this technology increase. But there is a lot of room for improvement in this technology to enhance the effectiveness and the economy of this process. One disadvantege of this method is the high effort for the heasting of the blanks before forming.An alternative method of blank heating is the conductive heating. Within this project a conductive heating unit for sheet metal blanks for press hardening is developed.Aluminum pre-coated 22MnB5 steel sheet especially used in the automotive industry was subjected to press hardening process followed by austenitizing both in a conventional furnace or in a conductive heating unit, which is an innovative method based on the Joule?s principle for fast heating of the specimens. It has some advantages over conventional heating such as less energy and less space requirements and lower costs. After press hardening, microstructural and mechanical characterizations of the specimens were made by optical microscopy, hardness measurements, tensile and high speed impact tests.Results showed that press hardening process transformed the ferritic-pearlitic microstructure in the as-received state into martensite after press hardening and caused substantial increment in hardness and strength in the expense of ductility and impact energy values. On the other hand, there was no significant difference in both microstructure and in mechanical properties with respect to the heating procedure used.