Processing and Properties of Hot-Dip Galvanized Press-Hardening Steels

Abstract

Muottikarkaisu on autoteollisuuden käyttämä valmistusmentelmä, jota hyödynnetään henkilöautokorin suojauskomponenttien valmistuksessa. Suorassa muottikarkaisuprosessissa teräsaihio austenoidaan uunissa ja kuumamuovataan sekä karkaistaan muovaustyökalun avulla korkean pintapaineen alaisena. Karkaisulla saavutetaan teräkselle martensiittinen ja erittäin luja mikrorakenne. Komponenttien maalaus, ja sitä seuraava maalin kuivaus noin 170 °C:n lämpötilassa viimeistelevät teräksen ominaisuudet. Muottikarkaistujen booriterästen, kuten 22MnB5 (murtolujuus 1500 MPa), hyödyntäminen on mahdollistanut autokorin keventämisen turvallisuusominaisuuksista tinkimättä, ja sen myötä polttoainekulutuksen ja CO2- päästöjen vähentämisen.

Sinkkipinnoitetut teräkset ovat ominaisuuksiltaan erityisen houkuttelevia, sillä niiden avulla saavutetaan sekä korkea lujuus että erinomainen korroosionkesto. Prosessi asettaa kuitenkin merkittäviä haasteita näiden materiaalien käytölle: kuumamuovaus 850-700 °C:ssa altistaa sulametallihaurausilmiölle, joka johtaa komponenttien makroskooppiseen säröilyyn. Lisäksi teollista hyödyntämistä rajoittavat kuumamuovauksessa muodostuvat korkeat kitkavoimat ja pintaan muodostuvat leikkausjännitykset, jotka aiheuttavat pinnoiteesta teräkseen etenevää mikosäröilyä etenkin komponenttien ulkoseinämissä. Kysyntää on myös yhä lujemmille uusille teräslaaduille, aina noin 2000 MPa:n murtolujuuteen asti. Tämä kunnianhimoinen tavoite asettaa uusia haasteita sekä teräksen koostumuksen suunnittelun että koko valmistusprosessin kontrolloinnin näkökulmasta.

Tässä työssä tutkittiin sekä pinnoittamattomia että Zn- ja ZnFe-pinnoitettuja teräksiä hyödyntäen laboratorioon rakennettua, teollista prosessia simuloivaa muottikarkaisulaitteistoa. Työn ensisijaisena tavoitteena oli lisätä ymmärrystä sinkkipinnoitettujen terästen käyttäytymisestä suorassa muottikarkaisuprosessissa. Pinnoitettujen 22MnB5 ja 34MnB5 laatujen, sekä tässä työssä kehitetyn 22MnMoB8 teräksen, tutkimus painottui pinnoite/teräs -rajapinnan reaktioihin, sisältäen hehkutusprosessin aikana tapahtuvat korkean lämpötilan faasimuutokset sekä kuumamuovauksesa esiintyvät säröilyilmiöt. Näiden tekijöiden ymmärrys ja ratkaisut säröilyn eliminoimiseksi ovat merkittävässä roolissa teollisen valmistettavuuden kannalta. Työn toisena tavoitteena oli ymmärtää teräksen mekaanisten ominaisuuksien kannalta keskeiset mekanismit. Mikrorakenteen ja ominaisuuksien yhteyksien selvittämiseksi tutkittin sekä kaupallisia teräslaatuja (22MnB5, 30MnB5, ja 34MnB5) että tässä työssä suunniteltuja 34MnB5-teräkseen pohjautuvia Ti- ja/tai V-mikroseostettuja teräksiä. Näiden terästen tutkimus tukee toisen sukupolven muottikarkaistavien terästen kehitystä, joilla tavoitellaan 2000 MPa:n murtolujuutta.

Tutkimuksissa havaittiin, että teräksen itseispääseminen on muottikarkaisulle ominaista. Hiilipitoisuuden ohella itseispääseminen kontrolloi martensiittisen teräksen mekaanista käyttäytymistä yhdessä perinnäisen austeniitin raekoon kanssa, jolla voidaan vaikuttaa martensiittisen mikrorakenteen hienontamiseen. Teräksen lähtörakenteella ja sen tarkoituksenomaisella kontrolloinnilla voidaan vastaavasti vaikuttaa austeniitin raekokoon yhdessä teräksen koostumuksen kanssa ja vähentää sen myötä prosessiparametriherkkyyttä teollisissa prosesseissa. Mekaaninen testaus ja murtopinta-analyysit osoittivat, että autokorin komponenteille suoritettavaa maalin kuivatusprosessia (170 °C/20 min), voidaan oleellisesti hyödyntää eräänlaisena matalan lämpötilan päästönä ja sitä kautta lisätä etenkin 34MnB5-tyyppisten terästen sitkeyttä ja plastisuutta. Lisäksi havattiin, että 34MnB5-terästen sitkeys on korkeamman hiilipitoisuuden ja lujuuden myötä herkempi paikallisille jäähtymisnopeusvaihteluille. Maalin kuivatusprosessilla voidaan vähentää näiden sitkeyden kannalta haitallisten tekijöiden vaikutusta ja parantaa sitä kautta mekaanista käyttäytymistä yleisellä tasolla - tosin sen kustannuksella, että murtolujuus laskee noin 1900 MPa:n tasolle. Vanadiinilla ja/tai titaanilla mikroseostettujen 34MnB5-pohjaisten terästen tutkimus osoitti, että etenkin vanadiinia voidaan hyödyntää yhdessä kromi- tai molybdeeniseostuksen kanssa, kun tavoitellaan perinnäisen austeniitin raekoon hienontamista ja mekaanisen käyttäytymisen optimoimista.

Zn- ja ZnFe-pinnoitettujen terästen tutkimustulokset osoittivat, että itse teräksen koostumuksella on merkittävä rooli pinnoite/teräs -rajapinnalla tapahtuvissa ilmiöissä ja muovauksessa esiintyvän säröilyn kontrolloinnissa. Sinkkipinnoitetut 34MnB5-teräkset ovat korkeamman hiilipitoisuutensa myötä alttiita martensiittisen α’-Fe(Zn)-faasin muodostumiselle etenkin pinnoite/teräs -rajapintaan, jonka voidaan arvioida rajoittavan tämän tyyppisten terästen teollista hyödyntämistä. Yleisellä tasolla, sulametallihauraus ja haitallinen mikrosäröily voidaan ratkaista teräksen karkenevuuden parantamisella, eli käyttämällä 22MnMoB8 terästä 22MnB5 sijaan, ja yhtäaikaisella kuumamuovausprosessin modifioinnilla siten, että teräs muovataan poikkeuksellisen matalassa 550-500 °C:n lämpötilassa. Näissä olosuhteissa pinnoitteeseen muodostuneet sulafaasit ovat jo kiinteässä tilassa, ja mikrosäröilyä edesauttava, korkeassa lämpötilassa rajapintaan muodostuva ferriitti sekä sinkin tai sinkkipitoisten faasien aiheuttamat metallihaurausilmiöt saadaan minimoitua.

Press hardening, or hot stamping, is a manufacturing method used to produce the safety components of car bodies. In the direct press-hardening process, steel blanks are first austenitized in a furnace, followed by hot forming and rapid cooling in a die. Quenching in a cooled die results in the formation of a martensitic microstructure and high strength. The steel properties are finalized in a paint baking process, which is carried out as part of the serial production of car body components.

The increased use of press-hardening boron steels, such as 22MnB5 grade with a tensile strength of around 1500 MPa, has been a kind of first-aid kit for the car manufacturing industry when aiming for weight reduction and thereby improved fuel economy and decreased CO2 emissions without compromising safety performance. Hot-dip galvanized steels are attractive materials, providing the desired combination of ultra-high strength and galvanic corrosion resistance. However, the press- hardening process creates significant challenges for zinc-coated steels. Firstly, hot forming at 850-700 °C exposes steel to liquid metal embrittlement, which is known to cause the formation of macroscopic cracks. Secondly, frictional forces and the surface stresses generated in the outer sidewalls of the components have been connected to the formation of so-called micro-cracks, which has crucially limited the application of hot-dip galvanized steels. Moreover, there has been a constant demand for a steel providing higher strength, even up to 2000 MPa, which sets a group of new requirements for the design of steel chemistry and process control.

In this work, the behaviour of uncoated and hot-dip galvanized (Zn- and ZnFe- coated) press-hardening steels were investigated using laboratory-built press- hardening equipment. The primary objective was to increase understanding on the behaviour of hot-dip galvanized press-hardening steels regarding the reactions occurring on the coating/steel interface, including high-temperature phase development and undesired cracking phenomena. These effects play a crucial role in the performance of hot-dip galvanized press-hardening steels. Industrially manufactured steel grades 22MnB5 and 34MnB5, together with a 22MnMoB8 steel designed during this thesis work, were studied as coated versions. A second objective was to understand the key metallurgical factors that control the final mechanical properties of press-hardening steels within the framework of industrial processing. Studies addressing the microstructure-property relationships of steels were carried out for both commercial 22MnB5, 30MnB5 and 34MnB5 steels and laboratory manufactured 34MnB5-based steels. New 34MnB5-based steels with Ti and/or V micro-alloying were designed to support the development of 2nd generation press- hardening steels, reaching a tensile strength of up to 2000 MPa.

The results indicated that the mechanical properties of essentially martensitic press-hardening steels are, in addition to carbon content, strongly controlled by the auto-tempering of martensite that occurs during die-quenching, and the prior austenite grain size that determines the refinement potential of martensitic microstructures. It was discovered that, together with steel chemistry, the appropriate control of the initial microstructure can be used to refine the prior austenite grain size, and thus increase the robustness of the material. The mechanical tests and fracture surface analysis implied that the paint baking treatment (170 °C/20 min) can be utilized to improve the ductility and toughness of 34MnB5 type steels, in which the baking effects introduce more plasticity and even up the microstructural heterogeneities formed during quenching. On the other hand, the tensile strength level decreased towards 1900 MPa due to the tempering effects of the martensitic matrix. Micro-alloying with V, when alloyed together with Cr or Mo, is a potential way to refine the prior austenite grain size and improve the mechanical behaviour through the formation of nano-sized VC precipitates.

The studies of hot-dip galvanized steels showed that the steel chemistry plays a key role in the reactions occurring on the coating/steel interface. It was demonstrated that Zn- and ZnFe-coated 34MnB5 steels are susceptible to the formation of martensitic micro-constituents α’-Fe(Zn), which will most likely further limit the industrial application of this group of steels. In general, successful manufacturing of hot-dip galvanized press-hardening steels requires modifications of the process and steel chemistry. It was shown that successful processing of designed 22MnMoB8 steel can be facilitated with the improved hardenability of the steel, as the simultaneous avoidance of liquid metal embrittlement and detrimental micro-cracking requires applying exceptionally low hot forming temperatures in the range of 550-500 °C. In these conditions, the liquid phases are solidified, whereas the minimizing of micro-cracks is based on avoiding the formation of high- temperature ferrite below the coating/steel interface together with the de-activation of metal-induced embrittlement featured by the presence of Zn or Zn-rich phases.