Effect of Precooling and Steel Composition on Properties of Press Hardened Galvannealed 2000 MPa Boron Steels
Rinne, Milla (2022)
2022
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Materials Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-10-11
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202209307373
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202209307373
Tiivistelmä
High-strength steels are used in the automotive industry and their typical applications are car body components critical for passenger safety. High strength causes challenges in the forming of steels. Press hardening in which the steel is simultaneously formed and quenched is used to solve those problems. When zinc-coated steels are used in press hardening, liquid zinc present during the process can cause cracking in the steel. This cracking can be reduced by precooling before forming.
The aim of this study was to study the effect of the precooling treatment on cracking and mechanical properties of galvannealed 2000 MPa boron steels. The effect of the steel composition on cracking behavior and hardenability of steel and their relationship is investigated. this study also investigated the behavior of galvannealed coating during the press hardening process and studied the phenomena behind the cracking of galvannealed PHS.
In this study the behavior of 34MnB5 steel and B35 steels with and without niobium alloying were studied. The investigated steels were coated with a zinc-iron coating called galvannealed coating. Investigations were done using experimental press hardening setup where steel is first annealed at austenitic region and then formed and quenched into room temperature. Two different press hardening processes were used. In the direct process steel was quenched and formed right after austenitization and in the process with precooling controlled cooling was performed for the steel before press hardening.
It was observed that the precooling treatment significantly reduced the cracking of all investigated steels. Still, the maximum crack depth of the precooled specimens was above 10 µm. Cracks seemed to be caused by liquid zinc penetrating to steel during the press hardening process. The deepest cracks were found in the precooled 34MnB5 specimens. The cracking behavior of the B35 steels was relatively similar.
All directly press hardened steels had fully martensitic microstructures. All the precooled steels contained ferrite and in the 34MnB5 steel also pearlite was present. The ferrite contents of the B35 steels were relatively similar. It was concluded that the formation of ferrite and pearlite was related to the formation of deeper cracks.
The mechanical properties of the studied steels were investigated with hardness measurements and the hardness results were converted to tensile strengths. The tensile strengths of all the non-precooled steels were above 2000 MPa. The tensile strength of the precooled 34MnB5 steel was significantly below 2000 MPa. Also, the average tensile strength of the precooled niobium-alloyed B35 was slightly below 2000 MPa. In the precooled B35 steel without niobium alloying, the average tensile strength of 2000 MPa was reached.
When the galvannealed coating was studied, it was observed that all the coatings were rather similar and consisted of Fe-Zn solid solution phases. The oxide layer on top of the coating consisted of zinc oxide and hetaerolite, which is typical for galvannealed coatings.
The crack characterization results and the mechanical properties shown in the present study can be used to optimize the heat treatment parameters of the 2000 MPa strength class press hardening steels. The effect of varying the precooling times and temperatures should be investigated further, so that the formation of the fully martensitic structure in PHS can be ensured and cracking caused by liquid zinc can be minimized. Korkean lujuusluokan teräksiä käytetään autoteollisuudessa ja niiden tyypillisiä sovelluskohteita ovat turvallisuuden kannalta kriittiset auton rungon komponentit. Teräksen korkea lujuus voi aiheuttaa haasteita teräksen muodonantoprosesseissa. Muottiinkarkaisua, jossa teräksen muodonanto ja karkaisu suoritetaan samanaikaisesti, käytetään tämän haasteen ratkaisemiseksi. Muottiinkarkaistaessa sinkkipinnoitettuja teräksiä prosessin aikana esiintyvä nestemäinen sinkki voi aiheuttaa teräksen säröilyä. Tätä säröilyä voidaan hillitä suorittamalla esijäähdytys ennen muodonantoa.
Tämän työn tarkoituksena oli tutkia esijäähdytyksen vaikutusta 2000 MPa lujuusluokan galvanneal-pinnoitettujen booriterästen säröilyyn ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Teräksen koostumuksen vaikutuksia säröilyyn ja karkenevuuteen sekä niiden välistä suhdetta tutkittiin. Myös galvanneal-pinnoitteen käyttäytymistä muottiinkarkaisuprosessin aikana sekä muottiinkarkaistavien galvanneal-pinnoitettujen terästen säröilyyn vaikuttavia ilmiöitä tutkittiin.
Tässä työssä tutkittiin 34MnB5-terästä sekä niobiumseostettua ja -seostamatonta B35-terästä. Tutkituissa teräksissä oli galvanneal-pinnoite eli sinkki-rauta-pinnoite. Tutkimukset toteutettiin kokeellisella muottiinkarkaisulaitteistolla, jossa teräs lämmitettiin ensin austeniittialueelle ja sitten karkaistiin huoneenlämpöön suorittaen muodonanto samanaikaisesti. Suorassa muottiinkarkaisuprosessissa muodonanto ja karkaisu suoritettiin siirtämällä teräs suoraan uunista muottiin ilman erillistä odotusaikaa. Esijäähdytyksellisessä muottiinkarkaisussa terästä jäähdytettiin hallitusti ennen muottiinkarkaisua.
Havaittiin, että esijäähdytyksen käyttö vähensi merkittävästi teräksissä esiintyvien säröjen syvyyttä. Maksimisärösyvyys oli kuitenkin kaikissa tutkituissa teräksissä yli 10 µm. Säröjen syntymekanismi vaikutti olevan nestemäisen sinkin tunkeutuminen teräkseen muottiinkarkaisun aikana. Esijäähdytetyistä teräksistä syvimmät säröt löytyivät 34MnB5-teräksestä. B35-terästen säröilykäyttäytymisessä ei juurikaan ollut eroa verrattuna toisiinsa.
Kaikkien suoraan muottiinkarkaistujen terästen mikrorakenne oli kokonaan martensiittinen. Esijäähdytetyissä teräksissä esiintyi ferriittiä ja 34MnB5-teräksessä myös perliittiä. B35-terästen ferriittipitoisuudet eivät juurikaan eronneet toisistaan. Tehtiin päätelmä, että ferriitin ja perliitin esiintyminen mikrorakenteessa oli yhteydessä kasvaneeseen särösyvyyteen.
Terästen mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin kovuusmittausten avulla. Mittaustulokset muunnettiin murtolujuuksiksi. Kaikkien suoraan muottiinkarkaistujen terästen murtolujuudet olivat yli 2000 MPa. Esijäähdytyten 34MnB5-teräksen murtolujuus jäi huomattavasti alle 2000 MPa:n Myös esijäähdytetyn niobiumseostetun B35-teräksen murtolujuus alitti 2000 MPa:n rajan. Esijäähdytetyn niobiumseostamattoman B35-teräksen murtolujuus oli yli 2000 MPa.
Tutkittaessa galvanneal-pinnoitetta havaittiin, että kaikkien terästen pinnoitteet olivat keskenään hyvin samanlaisia ja koostuivat raudan ja sinkin välisistä kiintoaineliuosfaaseista. Pinnoitteen päällä oleva oksidikerros koostui pääasiassa sinkkioksidista, kuten on tyypillistä galvanneal-pinnoitteelle.
Tässä työssä esitettyjä särötutkimuksen ja mekaanisten ominaisuuksien mittausten tuloksia voidaan käyttää 2000 MPa lujuusluokan muottiinkarkaistavien terästen lämpökäsittelyparametrien optimointiin. Erilaisten esijäähdytysaikojen ja lämpötilojen käytön tutkimusta tulisi jatkaa, jotta muottiinkarkaistuihin teräksiin saataisiin täysin martensiittinen rakenne ja nestemäisen sinkin aiheuttama säröily saataisiin minimoitua.
The aim of this study was to study the effect of the precooling treatment on cracking and mechanical properties of galvannealed 2000 MPa boron steels. The effect of the steel composition on cracking behavior and hardenability of steel and their relationship is investigated. this study also investigated the behavior of galvannealed coating during the press hardening process and studied the phenomena behind the cracking of galvannealed PHS.
In this study the behavior of 34MnB5 steel and B35 steels with and without niobium alloying were studied. The investigated steels were coated with a zinc-iron coating called galvannealed coating. Investigations were done using experimental press hardening setup where steel is first annealed at austenitic region and then formed and quenched into room temperature. Two different press hardening processes were used. In the direct process steel was quenched and formed right after austenitization and in the process with precooling controlled cooling was performed for the steel before press hardening.
It was observed that the precooling treatment significantly reduced the cracking of all investigated steels. Still, the maximum crack depth of the precooled specimens was above 10 µm. Cracks seemed to be caused by liquid zinc penetrating to steel during the press hardening process. The deepest cracks were found in the precooled 34MnB5 specimens. The cracking behavior of the B35 steels was relatively similar.
All directly press hardened steels had fully martensitic microstructures. All the precooled steels contained ferrite and in the 34MnB5 steel also pearlite was present. The ferrite contents of the B35 steels were relatively similar. It was concluded that the formation of ferrite and pearlite was related to the formation of deeper cracks.
The mechanical properties of the studied steels were investigated with hardness measurements and the hardness results were converted to tensile strengths. The tensile strengths of all the non-precooled steels were above 2000 MPa. The tensile strength of the precooled 34MnB5 steel was significantly below 2000 MPa. Also, the average tensile strength of the precooled niobium-alloyed B35 was slightly below 2000 MPa. In the precooled B35 steel without niobium alloying, the average tensile strength of 2000 MPa was reached.
When the galvannealed coating was studied, it was observed that all the coatings were rather similar and consisted of Fe-Zn solid solution phases. The oxide layer on top of the coating consisted of zinc oxide and hetaerolite, which is typical for galvannealed coatings.
The crack characterization results and the mechanical properties shown in the present study can be used to optimize the heat treatment parameters of the 2000 MPa strength class press hardening steels. The effect of varying the precooling times and temperatures should be investigated further, so that the formation of the fully martensitic structure in PHS can be ensured and cracking caused by liquid zinc can be minimized.
Tämän työn tarkoituksena oli tutkia esijäähdytyksen vaikutusta 2000 MPa lujuusluokan galvanneal-pinnoitettujen booriterästen säröilyyn ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Teräksen koostumuksen vaikutuksia säröilyyn ja karkenevuuteen sekä niiden välistä suhdetta tutkittiin. Myös galvanneal-pinnoitteen käyttäytymistä muottiinkarkaisuprosessin aikana sekä muottiinkarkaistavien galvanneal-pinnoitettujen terästen säröilyyn vaikuttavia ilmiöitä tutkittiin.
Tässä työssä tutkittiin 34MnB5-terästä sekä niobiumseostettua ja -seostamatonta B35-terästä. Tutkituissa teräksissä oli galvanneal-pinnoite eli sinkki-rauta-pinnoite. Tutkimukset toteutettiin kokeellisella muottiinkarkaisulaitteistolla, jossa teräs lämmitettiin ensin austeniittialueelle ja sitten karkaistiin huoneenlämpöön suorittaen muodonanto samanaikaisesti. Suorassa muottiinkarkaisuprosessissa muodonanto ja karkaisu suoritettiin siirtämällä teräs suoraan uunista muottiin ilman erillistä odotusaikaa. Esijäähdytyksellisessä muottiinkarkaisussa terästä jäähdytettiin hallitusti ennen muottiinkarkaisua.
Havaittiin, että esijäähdytyksen käyttö vähensi merkittävästi teräksissä esiintyvien säröjen syvyyttä. Maksimisärösyvyys oli kuitenkin kaikissa tutkituissa teräksissä yli 10 µm. Säröjen syntymekanismi vaikutti olevan nestemäisen sinkin tunkeutuminen teräkseen muottiinkarkaisun aikana. Esijäähdytetyistä teräksistä syvimmät säröt löytyivät 34MnB5-teräksestä. B35-terästen säröilykäyttäytymisessä ei juurikaan ollut eroa verrattuna toisiinsa.
Kaikkien suoraan muottiinkarkaistujen terästen mikrorakenne oli kokonaan martensiittinen. Esijäähdytetyissä teräksissä esiintyi ferriittiä ja 34MnB5-teräksessä myös perliittiä. B35-terästen ferriittipitoisuudet eivät juurikaan eronneet toisistaan. Tehtiin päätelmä, että ferriitin ja perliitin esiintyminen mikrorakenteessa oli yhteydessä kasvaneeseen särösyvyyteen.
Terästen mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin kovuusmittausten avulla. Mittaustulokset muunnettiin murtolujuuksiksi. Kaikkien suoraan muottiinkarkaistujen terästen murtolujuudet olivat yli 2000 MPa. Esijäähdytyten 34MnB5-teräksen murtolujuus jäi huomattavasti alle 2000 MPa:n Myös esijäähdytetyn niobiumseostetun B35-teräksen murtolujuus alitti 2000 MPa:n rajan. Esijäähdytetyn niobiumseostamattoman B35-teräksen murtolujuus oli yli 2000 MPa.
Tutkittaessa galvanneal-pinnoitetta havaittiin, että kaikkien terästen pinnoitteet olivat keskenään hyvin samanlaisia ja koostuivat raudan ja sinkin välisistä kiintoaineliuosfaaseista. Pinnoitteen päällä oleva oksidikerros koostui pääasiassa sinkkioksidista, kuten on tyypillistä galvanneal-pinnoitteelle.
Tässä työssä esitettyjä särötutkimuksen ja mekaanisten ominaisuuksien mittausten tuloksia voidaan käyttää 2000 MPa lujuusluokan muottiinkarkaistavien terästen lämpökäsittelyparametrien optimointiin. Erilaisten esijäähdytysaikojen ja lämpötilojen käytön tutkimusta tulisi jatkaa, jotta muottiinkarkaistuihin teräksiin saataisiin täysin martensiittinen rakenne ja nestemäisen sinkin aiheuttama säröily saataisiin minimoitua.