TRIP-avusteisten terästen
lämpökäsittely ja muovattavuus
■ DI OLLI OJA, PRODUCT DEVELOPMENT ENGINEER, CR&MC PRODUCT DEVELOPMENT, SSAB EUROPE OY
■ PROF. PASI PEURA, MATERIAALITIEDE JA YMPÄRISTÖTEKNIIKKA, TAMPEREEN YLIOPISTO
Tampereen yliopistossa vuonna 2021 valmistuvassa väitöskirjassa
tutkittiin lämpökäsittelyn vaikutuksia pii-, alumiiniseostettujen
ja niobium- sekä vanadiinimikroseostettujen
lujien kylmämuovattavien hiiliterästen ominaisuuksiin. Tutkimusten
keskiössä olivat etenkin muovattavuus ja muodonmuutoskyky,
koska niillä on olennainen vaikutus terästen
käytettävyyteen esimerkiksi ajoneuvojen törmäyssuojarakenteissa.
Toisaalta terästen mikrorakenteen morfologialla
tiedetään olevan erityisiä, osittain yllättäviä ja vielä tutkimattomia
vaikutuksia terästen ominaisuuksiin, jotka saavutetaan
lämpökäsittelyä säätämällä. Työ vastasi muovattavuushaasteeseen
ja lämpökäsittelyn kysymyksiin tutkimalla mikrorakenteen
ja koostumuksen vaikutuksia mekaanisiin ominaisuuksiin,
kun ferriitti-austeniittikaksifaasialueella tehtävään
hehkutukseen yhdistettiin austemperointi tai kaksivaiheinen
porraskarkaisu. Laboratoriomittakaavassa tehty lämpökäsittely
sisälsi molemmissa tapauksissa pito-osan ennen jäähdytystä
huoneenlämpötilaan, jolloin metastabiilin austeniitin
muodostuminen huoneenlämpötilan mikrorakenteeseen
mahdollistui. Tässä artikkelissa esitetään väitöstyön tuloksista
muovattavuusominaisuuksiin keskittyvä tiivistelmä, jossa
ei kuitenkaan käsitellä eri mekanismeja syvällisesti. Johdannossa
käydään läpi tiivis katsaus kehittyneiden terästen nykytilaan
ja historiaan. Tutkimus tehtiin vuosien 2015 – 2020 aikana
pääosin Tampereen yliopistossa.
Johdanto
Viime vuosikymmenellä useat terästuottajat aloittivat niin
kutsuttujen 3. sukupolven kehittyneiden lujien ja muovattavien
terästen kehityksen (3rd Generation Advanced High-Strength
Steels, GEN3 AHSS). Näitä teräksiä hyödynnetään
etenkin autoteollisuudessa, sillä niiden avulla voidaan saavuttaa
samanaikaisesti sekä ajoneuvon korin massan pieneneminen
ja törmäyskestävyyden paraneminen tavanomaisia
teräksiä korkeamman lujuuden myötä. Lujuustason nousu
aiheuttaa toisaalta haasteita terästen muovattavuudelle, jonka
parantaminen on aina ollut kehityksessä avainasemassa. Lopputuotteen
lujuus-sitkeystasapainoa kontrolloidaan säätämällä
teräksen kemiallista koostumusta sekä valssauksen jälkeisiä
lämpökäsittely- ja viimeistelyvaiheita. Toisin sanoen,
teräksen lujuutta pyritään kasvattamaan ilman, että heikennetään
samalla sen sitkeyttä.
Muovattavuushaasteiden lisäksi autoteollisuuden terästen
kehityksen taustalla vaikuttavat nyt aiempaan vaativammat
turvallisuusmääräykset ja tiukentuneet päästövaatimukset.
Viimeksi mainituista esimerkiksi Euroopan Unioni on asettanut
vuosien 2020 – 2024 päästörajaksi uusille polttomoottorilla
toimiville henkilöautoille 95 g CO2/km 1. Ajoneuvon
korin massan keventäminen lujien terästen ominaisuuksia
hyödyntämällä auttaa tavoitteiden saavuttamisessa.
3. sukupolven kehittyneet lujat muovattavat teräkset
GEN3 AHSS –teräksiin luetaan muun muassa paremmin
muovattavat kaksifaasiteräkset eli DH-teräkset (Dual-phase
High-formability), porraskarkaistut Q&P-teräkset (Quenching
& Partitioning), keskimangaaniset teräkset sekä austeniittiset
korkeamangaaniset TWIP-teräkset (Twinning
Induced Plasticity), joissa on mahdollisesti mukana myös
alumiiniseostus. Edellä mainittuja teräksiä ja niiden kehitysnäkymiä
autoteollisuudessa käsiteltiin vuoden 2019 Ohutlevy
lehden artikkelissa 2.
Kehityksessä kenties suurin panostus on tällä hetkellä DH-
ja Q&P-teräksissä, sillä niiden valmistamiseen tarvitaan vähemmän
seosaineita kuin mangaaniseostettuihin teräksiin ja
molempia voidaan lämpökäsitellä kylmävalssattuina ohutlevyteräksinä
jatkuvatoimisilla hehkutus- ja sinkityslinjoilla.
DH-teräkset ovat yleistyneet nopeammin, sillä ne muistuttavat
ominaisuuksiltaan ja valmistettavuudeltaan jo 1980
ja 90-luvulla kehitettyjä TRIP-monifaasi (Transformation Induced
Plasticity), jotka tunnetaan myös nimellä TRIP-avusteiset
teräkset. Useiden teräsvalmistajien tuotantolinjat, kuten
SSAB Europen Hämeenlinnan tehtaan sinkityslinja 3, soveltuvat
nykyisellään DH-terästen valmistamiseen. Q&P-teräkset
sen sijaan vaativat teknisiä parannuksia olemassa oleviin
ohutlevylinjoihin tai investointeja kokonaan uusiin linjoihin.
Esimerkkinä Euroopasta mainittakoon ArcelorMittalin
jatkuvatoimisen hehkutuslinjan modernisointi vuonna 2016
Belgian Kessalesissa 3. Pohjois-Amerikassa AK Steel on
vastikään modernisoinut Dearbornin kuumaupotussinkityslinjansa
tavoitteenaan valmistaa pinnoitettuja Q&P-teräksiä,
jotka korvaisivat kuumaprässattyjä teräksiä ajoneuvojen korirakenteissa
4, 5. Kiinalainen teräsjätti Baowu Steel, aiemmilta
nimiltään Baosteel Group ja Wuhan Steel Group, on
niin ikään tehnyt näkyväksi 3. sukupolven terästen kehityksen
6, 7. Muitakin esimerkkejä löytyy, sillä käytännössä
kaikki merkittävät terästuottajat ovat mukana kehityksessä.
TRIP-avusteiset teräkset
Kylmävalssatut teräkset ovat suoraan valssauslujana huonosti
muovattavia eivätkä sovellu vaativiin käyttökohteisiin
sellaisenaan. Niinpä muovattavuusominaisuudet palautetaan
lämpökäsittelyllä, joka kehittyneiden terästen yhteydessä
tarkoittaa kaksi- tai useampiportaista lämpökäsittelyä.
Lämpökäsittely aloitetaan hehkuttamalla teräsnauha ferriit- >
www.ohutlevy.com OHUTLEVY 1/2021 • 9
/www.ohutlevy.com
