TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

2013 Ladislav Vlček

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

Studijní program B2341 – Strojírenství

Materiály a technologie zaměření tváření kovů a plastů

Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů

Aplikace korozivzdorných materiálů ve stavbě karosérie v exponovaných místech s možností zvýšené koroze.

Ladislav Vlček KSP – TP – B

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Pavel Doubek, Ph.D.

Konzultant bakalářské práce: Ing. Michaela Kolnerová, Ph.D.

Rozsah práce a příloh:

Počet stran 46

Počet tabulek 10

Počet příloh 18

Počet obrázků 22

Datum 24. 5. 2013

A N O T A C E

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů

Studijní program: B2341 – Strojírenství

Student: Ladislav Vlček

Téma práce: Aplikace korozivzdorných materiálů ve stavbě karosérie v exponovaných místech s moţností zvýšené koroze.

Application of corrosion resistant materials in the construction of the body work in exposed areas with possibility of increased corrosion.

Číslo BP: KSP – TP – B

Vedoucí BP: Ing. Pavel Doubek, Ph.D.

Konzultant: Ing. Michaela Kolnerová, Ph.D.

Abstrakt:

Bakalářská práce se zabývá experimentálním ověřením moţnosti aplikace korozivzdorných materiálů ve stavbě karosérie na exponovaných místech s rizikem výskytu zvýšené koroze.

U korozivzdorné oceli byla testována schopnost vytvářet kvalitní lepené spoje za pouţití čtyř konstrukčních lepidel pouţívaných v automobilovém průmyslu. Pro posouzení vhodnosti pouţití korozivzdorné oceli při tvářecích procesech zhotovování karosářských výlisků byla pouţita metoda tribologického testování oceli.

Abstract:

The bachelor thesis deals with the experimental verification of application possibilities of corrosion-resistant materials in the body construction exposed areas with an increased risk of corrosion. The stainless steel has been testing for ability to create high quality glued joints, using four construction adhesives, used by automotive industry. To assess the suitability of stainless steels in forming processes for the car body pressing were used

tribological methods for steel testing.

Místo přísežné prohlášení:

Místo příseţně prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně s pouţitím uvedené literatury.

V Liberci, 24.května 2013

……….

Ladislav Vlček Batňovice 90 542 32 Úpice

Rád bych poděkoval mému vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Pavlu Doubkovi, Ph.D. za jeho odborné rady při vypracovávání teoretické a experimentální části této práce, za jeho odbornou kritiku, jeţ formovala moji práci, a především za jeho velkou trpělivost. Mé další děkuji, patří paní Ing. Michaele Kolnerové, Ph.D., která mi s ochotou poskytovala velmi cenné rady a připomínky, které mě vedly k cíli, a věnovala mi svůj drahocenný čas.

Rád bych také poděkoval svým rodičům, kteří mě vţdy podporovali a měli s mým studiem trpělivost.

Na konec bych rád poděkoval všem svým přátelům, kteří mi byli oporou v těţkých chvílích a rádi se podělili o své vlastní zkušenosti.

OBSAH

OBSAH ... 6

SEZNAM POUŢITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ... 8

1 ÚVOD... 10

2 TEORETICKÁ ČÁST ... 10

2.1 Lepení ... 11

2.1.1 Teorie adheze a koheze ... 11

2.1.2 Povrchové napětí a smáčivost ... 12

2.1.3 Lepení kovů ... 14

2.1.4 Výhody a nevýhody lepení kovů v porovnání se svařováním a nýtováním ... 15

2.2 Tváření kovů ... 16

2.2.1 Tváření za tepla ... 16

2.2.2 Tváření za studena ... 17

2.2.3 Tváření za poloohřevu ... 18

2.2.4 Tváření korozivzdorných ocelí za tepla ... 18

2.2.5 Tváření korozivzdorných ocelí za studena ... 20

2.3 Tribologie ... 21

2.3.1 Tribologické zkoušky ... 22

2.3.2 Modelování tření mezi přidrţovačem a taţnicí ... 23

2.3.3 Modelování tření na taţné hraně ... 24

2.3.4 Modelování vypínání přes taţnou hranu ... 25

2.3.5 Modelování tření mezi přidrţovačem, taţnicí a taţnou hranou ... 25

2.3.6 Další způsoby tribologických zkoušek plechů ... 26

3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... 27

3.1 Cíl experimentu ... 27

3.2 Charakteristika materiálu pouţitého pro experiment ... 27

3.2.1 Obecná charakteristika pouţitého materiálu ... 27

3.2.2 Statická zkouška tahem ... 27

3.3 Příprava vzorků na lepení ... 30

3.3.1 Pouţité materiály pro přípravu vzorků ... 30

3.3.2 Nastříhání vzorků ... 32

3.3.3 Očištění a odmaštění vzorků ... 33

3.3.4 Označení vzorků ... 33

3.3.5 Nanesení maziva ... 33

3.4 Vlastní lepení ... 34

3.4.1 Nanesení lepidla ... 34

3.4.2 Vytvrzení lepidla... 34

3.5 Zkouška vzorků ... 34

3.5.1 Průběh zkoušky ... 35

3.5.2 Hodnocení porušení lepeného spoje ... 35

3.6 Tribologické vlastnosti pouţitého materiálu ... 36

3.6.1 Modelace tření mezi přidrţovačem a taţnicí ... 37

3.6.2 Výsledky tribologické zkoušky... 37

4 VÝSLEDKY MĚŘENÍ ... 38

5 DISKUZE VÝSLEDKŮ... 39

5.1 Diskuze dílčích výsledků z hlediska lepení ... 39

5.2 Diskuze dílčích výsledků z hlediska tribologie ... 40

6 ZÁVĚR ... 42

7 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY ... 44

8 SEZNAM PŘÍLOH ... 46

Seznam použitých zkratek a symbolů

Označení Jednotky Význam

A 80 mm [%] taţnost tyče o délce LO = 80 mm

A 10 [%] taţnost tyče o délce LO = 10·d0

A1 [ C] teplota eutektoidní přeměny

A3 [ C] teplota počátku vylučování α feritu z austenitu

AF adhezní porušení

C uhlík

CF kohezní porušení

Cr chróm

Δ označení změny, rozdílu velikosti

ΔF N síla

Δl m délka myšleného řezu povrchem kapaliny

[%] poměrné prodlouţení

[ ] úhel smáčení

φ skutečná deformace

FN N normálové zatíţení

FP N síla protitahu

FTaţná N taţná síla

g plynné prostředí

N·m^-1 povrchové napětí

l N·m^-1 povrchová energie kapaliny lepidla

s N·m^-1 povrchová energie tuhé látky substrátu

sl N·m^-1 mezifázová energie tuhá látka-kapalina

l tuhá látka

LO mm počáteční délka zkušební tyče

Mn mangan

koeficient tření

l minimální hodnota koeficientu tření

s střední hodnota koeficientu tření

h maximální hodnota koeficientu tření

n počet vzorků

N dusík

Ni nikl

P fosfor

p MPa kontaktní tlak

R MPa smluvní napětí

R mm poloměr taţné hrany

Ra m střední aritmetická hodnota drsnosti

Rm MPa mez pevnosti materiálu

Rp0,2 MPa nevýrazná mez kluzu

S mm² kontaktní plocha

S síra

s tuhá látka

s směrodatná odchylka výběru

SCF speciální kohezní porušení

Si křemík

v m·s^-1 rychlost protahování zkušebního pásku

x aritmetický průměr

1 ÚVOD

Dnešní doba je plná speciálních materiálů, které si pro své zpracování ţádají speciální technologie. Obvyklé konvenční technologie, které byly pouţívány jiţ dávno v minulosti se dnes musí zdokonalovat natolik, aby byly schopné drţet krok s nároky nejrůznějších průmyslových odvětví. Jednou z těchto technologií je lepení. Lepení začalo v poslední době čím dál více pronikat do automobilového průmyslu a stává se kvalitní náhradou

za konvenční metody spojování některých automobilových dílů. Vývoj lepidel postoupil natolik kupředu, ţe se lepení v automobilovém průmyslu vyuţívá především pro spojování ocelových součástí karosérie automobilu. To však klade velké nároky na lepidla, jelikoţ musí být schopná vytvářet kvalitní spoje mezi povrchy opatřenými mazivem.

Nahrazování svarových spojů karosérie spoji lepenými, začíná být čím dál větším trendem většiny světových automobilových společností. Při výrobě automobilu je kladen velký důraz na bezpečnost, kvalitu, spolehlivost a především na cenu vozu. Lepení v tomto ohledu zaručuje srovnatelnou tuhost konstrukce jako při svařování a navíc i tlumení vibrací.

Poţadavky na materiály pouţívané při konstrukci karosérie jsou čím dál větší a je maximální snahou automobilových společností pouţívat materiály vysokopevnostní, korozivzdorné, lehké a především levné. V případě běţných automobilů je pouţíváno jak hlubokotaţných, tak i vysokopevnostních ocelí, které je nutno ošetřit proti korozi.

U některých luxusních vozů jiţ konstrukci tvoří nezanedbatelné procento hliníkových a hořčíkových slitin, které mají výbornou pasivitu vůči korozi, jsou lehké, ale velmi výrazně zvyšují cenu vozu. Vhodným materiálem pro exponovaná místa karosérie by mohlo být pouţití korozivzdorné oceli, která má výborné pevnostní a antikorozní vlastnosti. Toto vyuţití je však prozatím předmětem výzkumu.

Cílem bakalářské práce bylo zjistit, zda by bylo moţné pouţít korozivzdorné oceli pro karosářské výlisky, vyráběné v dnešní době běţně pouţívanými tvářecími nástroji

a především, je-li moţné tyto oceli spojovat technologií lepení pomocí lepidel pouţívaných v automobilovém průmyslu. U zvoleného materiálu bylo nejprve provedeno zjištění mechanických vlastností pomocí zkoušky tahem dle EN ISO 6892-1. Následně byl materiál podroben zkoušce pro zjištění tribologických vlastností při procesu tření mezi nástrojem ze slitiny pouţívané pro taţení výlisků v automobilovém průmyslu a zmíněným materiálem.

Nakonec bylo provedeno experimentální měření schopnosti vytvářet kvalitní lepený spoj mezi zvolenou korozivzdornou ocelí a vybranými čtyřmi konstrukčními lepidly pouţívanými pro lepení ocelí v automobilovém průmyslu.

2 TEORETICKÁ ČÁST

2.1 Lepení

Lepení je moderní technologický proces, při kterém se k sobě spojují dva stejné nebo různé materiály adherendy pomocí přídavných látek nazývaných lepidla adheziva

a vznikají tak nerozebíratelná spojení. Pomocí lepidla lze vytvářet vhodná a ţádoucí nerozebíratelná spojení mezi dvěma materiály. Tato schopnost lepidla je dána několika faktory, které kvalitu lepeného spoje velmi ovlivňují. Hlavními faktory ovlivňujícími schopnost lepidla vytvářet pevné spoje jsou adheze k povrchům spojovaných materiálů a koheze vlastního lepidla. Pouţitím vhodného lepidla a dodrţením správného technologického postupu pro daný typ spojovaných materiálů je moţné docílit výborných mechanických vlastností a kvalitního vzhledu lepeného spoje. 1,2

2.1.1 Teorie adheze a koheze

Adheze neboli přilnavost je síla, kterou jsou k sobě přitahovány dva povrchy vlivem mezimolekulárních sil lepidla a spojovaného materiálu. Adheze lepidla k jiným povrchům souvisí s jeho molekulovou strukturou. Adheze je způsobena vlivem fyzikálních sil Van der Waalsovy síly , mezimolekulárních a chemických vazeb. Fyzikální síly působí na vzdálenosti 0,3 aţ 0,5 nm a jsou velmi závislé na smáčivosti povrchů obou materiálů. Van der Waalsovy síly jsou velmi slabé přitaţlivé fyzikální síly, které působí zejména mezi nepolárními molekulami a jejich vlivem vzniká okamţitý elektrický dipól. Chemické vazby působí na ještě kratší vzdálenosti neţ fyzikální síly a to na vzdálenosti 0,1 aţ 0,3 nm.

Chemická vazba vzniká reakcí mezi disperzí a matricí. Pro vniknutí lepidla do nerovností povrchu adherendu a vytvoření tak dokonalé adhezní síly, je nutná velmi dobrá smáčivost povrchu adherendu lepidlem. Není-li povrch pro lepení vhodně upraven, můţe dojít k výraznému sníţení smáčivosti a to zejména v důsledku znečištění povrchu mazivem.

Mechanismus adheze, koheze a jejich ovlivnění v důsledku znečištění povrchu je schematicky zobrazen na obr. 2.1.1 a obr. 2.1.2. 1,2,3,4,5

Koheze, nebo-li vnitřní soudrţnost, někdy také označovaná jako vnitřní adheze je stav látky lepidla , ve kterém drţí její částice vlivem valenčních a mezimolekulárních sil pohromadě. Velikost kohezní síly udává tzv. kohezní energie, coţ je míra energie potřebná pro odtrţení jedné částice lepidla od ostatních okolních částic. 1,2

Obr. 2.1.1 Adheze a koheze. /6/ Obr.2.1.2 Sníţení adheze vlivem znečištění povrchu materiálu. /6/

2.1.2 Povrchové napětí a smáčivost

Smáčivost je schopnost kapalné látky rozestírat se po povrchu pevné látky. Jinak řečeno je to poměr mezi celkovým povrchem kapky kapalné látky a částí povrchu kapky dotýkající se rovného povrchu pevné látky. Smáčivost povrchu pevné látky závisí na povrchovém napětí v kapalině, na polaritě mezi kapalinou a povrchem pevné látky a na tvaru mikronerovností povrchu pevné látky. Smáčivost se obvykle vyjadřuje pomocí úhlu smáčení . Úhlem smáčení se rozumí úhel, který svírá tečna k povrchu kapky vedená v bodě styku kapky s rozhraním kapalná látka-pevná látka. Vztah mezi úhlem smáčení a jednotlivými mezifázovými energiemi je zřejmý z obr. 2.1.3.

Obr. 2.1.3 Úhel smáčení kapky kapaliny na tuhém povrchu /7/

l - kapalina, s - tuhá látka, g - plynné prostředí, l - povrchová energie kapaliny,

s - povrchová energie tuhé látky, sl - mezifázová energie tuhá látka-kapalina Úhel smáčení je tím větší, čím větší je plocha povrchu kapky ve styku s pevným povrchem substrátu. Je-li úhel smáčení ostrý, jedná se o dobrou smáčivost povrchu kapalinou. Je-li tupý aţ nulový, jedná se o špatně smáčivý aţ nesmáčivý povrch.

Smáčivost povrchu je nejčastěji měřena tzv. kapkovou metodou. Ta spočívá v nanesení kapičky vody na testovaný povrch. Voda je rozpouštědlo tvořené polárními molekulami

H2O, které se snaţí zaujmout na povrchu nejvýhodnější tvar. Jsou-li molekuly na povrchu dostatečně polární nesou náboj , voda se po povrchu rozlije do všech stran, protoţe polární molekuly vody jsou přitahovány k nabitému povrchu a ten je vodou smáčen v dostatečné míře. Jsou-li povrchové molekuly testovaného materiálu nepolární - nenabité, molekuly vody mají schopnost se sbalovat do kuliček, přičemţ vytváří minimální plochu dotyku s povrchem materiálu, jsou od povrchu spíše odpuzovány a materiál vykazuje nízkou smáčivost. Tyto vlastnosti se dají také popsat slovy hydrofilní pro povrchy přitahující vodu a hydrofobní pro povrchy vodu odpuzující. Příklady různých smáčivostí povrchu pomocí tzv. kapkové metody, jsou schematicky zobrazeny na obr. 2.1.4.

Obr. 2.1.4 Smáčivost povrchu podle velikosti úhlu smáčení /8/

- úhel smáčení

Na obr. 2.1.5 je vyfocena smáčivost nerezového plechu s označením DIN 1.4301, pouţitého v experimentální části této práce, kapkou vody. Z obrázku je zřejmé, ţe se úhel smáčivosti nerezového plechu pohybuje přibliţně okolo 45 , čemuţ odpovídá dostatečná smáčivost povrchu.

Povrchové napětí , vyjádřené rovnicí 1 , je způsobeno vzájemnou interakcí přitaţlivých sil mezi molekulami nebo atomy, z nichţ je povrchová vrstva sloţena.

Povrchové napětí lze vyjádřit poměrem síly ΔF, která působí kolmo na délku Δl myšleného řezu povrchem ku délce tohoto řezu leţící v tečné rovině k povrchu v daném bodě . Povrchové napětí lze tedy vyjádřit následujícím vztahem.

l

F 1

kde je

………….. povrchové napětí kapaliny N·m^-1 ΔF ……….. síla N

Δl ………... délka myšleného řezu povrchem kapaliny m

Povrchové napětí kapaliny je stav, kdy se její povrch chová tak, jako by byl tvořen velmi tenkou elastickou fólií, která se snaţí při daném objemu kapaliny zaujímat co nejmenší a nejhladší plochu. To znamená, ţe se povrch kapaliny snaţí přiblíţit stavu s minimální energií. Pokud by na povrch kapaliny nepůsobily ţádné vnější síly, měla by tvar koule, jelikoţ koule má ze všech těles o stejném objemu nejmenší povrch. Tvar, který zaujme kapka kapaliny na pevném povrchu je určen kohezními silami, kdy je povrchové napětí kapaliny ve styku se vzduchem, adhezivními silami, kdy je povrchové napětí kapaliny ve styku s povrchem pevné látky a konečně i povrchovým napětím pevné látky ve styku se vzduchem. Při kontaktu kapaliny s kovy, nebo oxidy kovů většinou platí, ţe S povrchové napětí substrátu L povrchové napětí lepidla , coţ v případě čistého povrchu znamená, ţe smáčivost povrchu lepidlem bude vţdy dobrá. Naopak u nekovových substrátů je S L

z čehoţ vyplývá, ţe dobrá smáčivost povrchu substrátu lepidlem bude záviset především na vhodné volbě lepidla a rozpouštědla v lepidlu obsaţeném. 7,8,9,10,11,12,13

2.1.3 Lepení kovů

Technologie lepení kovů se v dnešní době vyuţívá čím dál častěji a to zejména v automobilovém průmyslu. Lepení kovů se nevyuţívá pouze k estetickým účelům, ale mnohdy jsou lepenými spoji nahrazovány i svarové a nýtové spoje, které dokáţou přenášet velká zatíţení. Technologie lepení kovů má mnoho výhod, díky kterým je často upřednostňována před technologiemi svařování a nýtování avšak jako kaţdá technologie má svá omezení a nevýhody.

2.1.4 Výhody a nevýhody lepení kovů v porovnání se svařováním a nýtováním

Mezi hlavní výhody technologie lepení kovových materiálů oproti technologii svařování a nýtování patří zejména

Kontinuální a rovnoměrné přenášení napětí v místě spojů nedochází k růstu napětí aţ do jeho maxima směrem k okraji děr pro nýty, nebo ke kolísavému průběhu napětí, jak je tomu u svařovaného spoje.

Zesílení konstrukce v místě lepeného spoje nedochází k zeslabení nosného průřezu vlivem otvorů pro nýty.

Moţnost úspěšně lepit i rozdílné materiály některé materiály nelze vzhledem k jejich vlastnostem nýtovat ani svařovat.

Sníţení hmotnosti lepených spojů.

Tlumení chvění a vibrací lepené konstrukce.

Těsnost lepeného spoje vůči přetlaku, podtlaku včetně vodotěsnosti.

Nedochází k tepelnému ovlivnění substrátu, změně struktury a následnému zhoršení mechanických vlastností v místě spoje jak je tomu u technologie svařování.

Korozní odolnost pouţitím nevodivého lepidla se zabrání vzniku galvanického článku mezi lepenými kovovými substráty a následné korozi, ke které často dochází stykem dvou různých kovů při nýtování za současného působení korozního prostředí nevhodné povětrnostní podmínky .

Vzhledové vlastnosti povrchu v místě spoje není povrch spojovaného substrátu nijak vzhledově ovlivněn, jak je tomu u svařování, a nevznikají v důsledku spoje výraznější nerovnosti, jako u nýtování.

Ekonomičnost zpravidla je technologie lepení ekonomicky méně nákladným procesem, neţ je tomu u svařování a nýtování.

Moţnost lepit v terénu bez nároků na energii, potřebných nástrojů a i při teplotách pod bodem mrazu. 10

Nevýhody lepení kovů

Citlivost na nárazy, vysoké teploty a některé vlivy prostředí.

Lepený spoj velmi špatně odolává namáhání v odlupování.

Lepený spoj je náročný na povrchovou úpravu a výběr jednotlivých sloţek lepeného systému.

a u lepidel, které mají sloţitý způsob vytvrzování.

Po začátku lepení je zpravidla čas pro dokončení všech úkonů přesně vyhrazený, nelze technologii na delší dobu přerušit a výsledné pevnosti je dosaţeno obvykle téměř ihned jako u svařování a nýtování.

Moţnosti kontroly kvality jsou náročné a omezené. 10

2.2 Tváření kovů

Aby bylo moţné technologii lepení v automobilovém průmyslu na výlisky z plechů aplikovat, je třeba nejprve zjistit, zda je vůbec moţné výlisek vyrobit. V první řadě je třeba posoudit, za jakých podmínek a jakou technologií bude moţné zvolený materiál tvářet.

Procesy tváření kovů se dělí do čtyř základních skupin. Do této bakalářské práce bylo vybráno rozdělení tvářecích procesů dle teploty. V následující kapitole je popsáno tváření ocelí a tváření korozivzdorných ocelí, jelikoţ korozivzdorné oceli bylo uţito pro účely experimentálního měření této práce.

Technologie tváření kovů je proces, při kterém dochází k poţadované změně tvaru či vlastností polotovaru nebo výrobku vlivem působení vnějších sil bez odběru třísek. O tváření se hovoří tehdy, vznikají-li v materiálu trvalé plastické deformace. K plastické deformaci dochází v okamţiku překročením maximálního napětí na mezi pruţných deformací

a dosaţením napětí na mezi kluzu pro tvářený materiál. Plastickou deformaci doprovází fyzikální změny a změny struktury materiálu, coţ ovlivňuje mechanické vlastnosti materiálu.

Technologické tvářecí procesy se dají rozdělit do čtyř základních skupin podle teploty, za které k procesu tváření dochází

tepelného efektu

stupně dosaţené deformace působení vnějších sil

Následující kapitoly týkající se tváření kovů budou zaměřeny na technologické tvářecí procesy v závislosti na teplotě. 14

2.2.1 Tváření za tepla

Tváření za tepla probíhá při teplotách vyšších neţ je 70 teploty tání daného materiálu.

Teplota tváření viz obr. 2.2.1 se pohybuje nad rekrystalizační teplotou, přičemţ rychlost rekrystalizace kovu je tak vysoká, ţe deformační zpevnění vzniklé tvářením mizí rovnou v průběhu tváření, nebo bezprostředně po něm. Materiál se tvářením za tepla nezpevňuje a tvářecí síly jsou aţ desetkrát menší neţ při tváření za studena. Překročením teploty rekrystalizace hrubne zrno a vlivem zvýšené teploty dochází k oxidaci povrchu tvářeného

materiálu, vzniku okují a následnému zhoršení kvality povrchu. Při tváření za tepla dochází ke vzniku vláknité struktury z hrubé dendritické struktury primárních krystalů ingotu, která

„kopíruje“ tvar výkovku. Tato struktura je způsobena nekovovými nečistotami v povrchových vrstvách krystalů. Vláknitá struktura ovlivňuje anizotropii vlastností mechanické vlastnosti, taţnost,… a nedá se odstranit ţádným tepelným zpracováním, ani tvářením. Touto technologií se dají vyrábět tvarově sloţité výkovky. Rozměrová přesnost je niţší následkem smršťování výkovku při ochlazování z tvářecí teploty. Výhodou je, ţe při tváření za tepla nevzniká vnitřní pnutí ve výkovku a nedochází tak k následným vadám v materiálu, jakými jsou např. trhliny. Tato technologie je však časově, energeticky

a finančně náročná. 14

Obr. 2.2.1 Rozdělení tvářecích procesů podle teploty /14/

φ - skutečná deformace, A10 - taţnost tyče o délce LO = 100 mm, A1 - teplota eutektoidní přeměny, A3 - teplota počátku vylučování α Feritu z Austenitu

2.2.2 Tváření za studena

Tváření za studena probíhá pod rekrystalizační teplotou, která odpovídá 30 teploty tání tvářeného materiálu. Při této teplotě dochází ke zpevňování materiálu, které je trvalé.

Vlivem zpevňování dochází k nárůstu odporu proti dalšímu tváření, aţ nakonec dojde k vyčerpání plastičnosti materiálu. Pro obnovení plastičnosti materiálu je třeba do technologického procesu zařadit rekrystalizační nebo normalizační ţíhání. Při procesu tváření se zrna deformují ve směru tváření, dochází ke vzniku nové textury a k anizotropii mechanických vlastností. Deformačním zpevněním se zvyšuje mez pevnosti a mez kluzu daného materiálu, coţ má za následek sníţení jeho taţnosti. Z důvodu nízkých tvářecích

teplot klade tvářený materiál velký deformační odpor a je zapotřebí mnohem větších sil neţ tomu je u tváření za tepla. Při tváření za studena nevznikají vlivem vysokých teplot okuje a povrch výkovků je tak mnohem kvalitnější. Nedochází zde ke smršťování výkovku jak tomu je u tváření za tepla a je tedy moţné dosáhnout vysoké rozměrové přesnosti na

0,001 mm. Rozmezí teplot pro tváření za studena je zobrazeno na obr. 2.2.1. 14

2.2.3 Tváření za poloohřevu

Technologie tváření za poloohřevu je kompromisem mezi tvářením za studena

a tvářením za tepla. Nejniţší teplota tváření za poloohřevu je vyšší neţ při tváření za studena a je vymezena koncem oblasti modrého ţáru. V oblasti modrého ţáru je znemoţněno tváření, jelikoţ se v této oblasti teplot vylučují neţádoucí prvky, které mají za následek křehnutí a sníţení tvárnosti oceli. Nejvyšší hraniční teploty tváření za poloohřevu jsou dány prvky, které vytvářejí na povrchu materiálu oxidy. Oblast teplot, za kterých se toto tváření pouţívá, je nakreslena na obr. 2.2.1. Tvářením za poloohřevu se dosahuje zlepšení přetvárných vlastností a sníţení přetvárných odporů oproti tváření za studena, vlivem zvýšených tvářecích teplot a zároveň je dosaţeno vyšší rozměrové přesnosti a jakosti povrchu, neţ jak tomu je v případě tváření za tepla. 14

2.2.4 Tváření korozivzdorných ocelí za tepla

Korozivzdorné oceli se díky svým specifickým vlastnostem a vysokému obsahu legujících prvků jeví při tváření tvrdšími, neţ uhlíkové oceli. Tyto oceli kladou velké nároky na přesnost ohřevu, čistotu prostředí a vzhledem ke svým mechanickým vlastnostem i velké nároky na strojní vybavení. Více o tom, za jakých podmínek a jakými technologiemi jsou tyto oceli za tepla tvářitelné, je napsáno v následujících kapitolách. 15

2.2.4.1 Tvářecí teploty a teploty ohřevu korozivzdorných ocelí

Teploty pro tváření korozivzdorných ocelí za tepla se pohybují od 1250 C aţ po minimálních 650 C, kdy rozmezí teplot je především určeno druhem korozivzdorné oceli a volbou pouţité technologie. Rozmezí teplot pro tváření se obvykle pohybuje mezi 1150 aţ 900 C. Při procesu kování se oblast teplot posouvá k horní hranici 1150 aţ 1250 C

a minimální teplota se udrţuje nad 870 aţ 930 C. U feritických ocelí leţí počáteční teploty tváření okolo 1050 C a tváření by mělo skončit při teplotě 650 aţ 700 C, aby došlo k rozptýlení karbidů na hranice zrn a zjemnění zrna. Tváření austenitických ocelí se jen výjimečně provádí za teplot niţších, neţ 900 C. Korozivzdorné oceli mají za nízkých teplot špatnou tepelnou vodivost a proto je nutný pomalý a pečlivý ohřev jako u jiných ušlechtilých ocelí. Obecně je udáváno pozvolné ohřívání, přibliţně aţ do 800 C. Důleţité je rovnoměrné

prohřátí celého objemu materiálu, aby nedocházelo k vnitřním pnutím a vzniku trhlin vlivem rozdílných teplot mezi povrchovými vrstvami a jádrem. U kalitelných korozivzdorných ocelí s vyšším obsahem uhlíku je třeba volit předehřev polotovaru ještě pomalejší, zvláště tehdy, došlo-li např. po předchozím tváření k rychlému ochlazení a zakalení oceli. Oproti tomu austenitické korozivzdorné oceli s nízkým obsahem uhlíku snesou rychlejší ohřev. Při teplotě nad 900 C jiţ mají všechny oceli a slitiny tepelnou vodivost téměř shodnou, která vzrůstá spolu s teplotou a proto je moţný rychlý ohřev na tvářecí teplotu. Příliš pomalý nárůst teploty na teplotu tváření a dlouhé ohřívání je neţádoucí, jelikoţ vlivem vysokých teplot dojde k rozpuštění karbidů, popřípadě jiné fáze a nastane hrubnutí zrna. Zvláště náchylné na hrubnutí zrna jsou feritické oceli. Přehřátí oceli nad tvářecí teplotu je ještě škodlivější.

Ochlazování kalitelných korozivzdorných ocelí po tváření by mělo probíhat velmi pomalu zvláště v rozmezí teplot od 750 do 600 C, aby nedošlo k martenzitické přeměně, která by mohla mít i vlivem povrchových vad za následek popraskání oceli. Obvykle probíhá ochlazování těchto ocelí pomalu v suchém popelu, nebo v peci vyhřáté přibliţně na teplotu 650 C po dobu dvou hodin. Následuje volné ochlazení na vzduchu. Ochlazování korozivzdorné oceli feritické a austenitické by po tváření mělo být naopak rychlé. Není to však nutností, jelikoţ jejich konečnou strukturu a vlastnosti je moţné zajistit následným ţíháním. 15

2.2.4.2 Zařízení pro ohřev

Pro dodrţení plynulého předehřevu je vhodná buď průběţná pec s odstupňovanou teplotou ohřevu, dvoukomorová pec, nebo dvě pece. V případě dvou pecí se v jedné komoře ocel předehřeje na 800 C a ve druhé se dohřeje a dokonale prohřeje na konečnou teplotu.

Nejvhodnější jsou elektrické pece, které mají dobře řiditelnou a správně rozloţenou teplotu.

Je moţné však pracovat i v pecích plynových nebo olejových. Menší předměty je moţné ohřívat na konečnou teplotu i v nenauhličujících solných lázních. Nevhodná pro ohřev korozivzdorných ocelí je výheň. 15

2.2.4.3 Atmosféra

Atmosféra a prostředí pro ohřev korozivzdorných ocelí musí být voleny tak, aby nedocházelo k sebemenšímu nasycení povrchu oceli uhlíkem. Ochranných atmosfér se obvykle pro ohřev k tváření za tepla nepouţívá, neboť korozivzdorné oceli se méně opalují.

U plynových a olejových pecí je nutné seřídit topení tak, aby nedávalo příliš redukční atmosféru a plyn, je nutné vyčistit od sloučenin síry. Plameny hořáků nesmí šlehat přímo na ocel, aby se povrch nenauhličoval. To platí zvláště v případě austenitické

a nízkointersticiální oceli feritické, které se v kontaktu s plameny dychtivě nauhličují. Ocel nesmí obsahovat ani olej a jiné nečistoty, u kterých by při ohřátí na teplotu tváření nebo tepleném zpracování došlo k neúplnému spálení a nauhličení povrchu. 15

2.2.4.4 Tvářecí technologie

Pro tváření austenitických ocelí značných průřezů je pouţíváno technologie lisování, při které je rychlost tváření výrazně pomalejší neţ při kování a válcování, coţ dovoluje oceli lépe rekrystalizovat a tváření je pak snadnější. Korozivzdorné oceli je moţné tvářet také technologií válcování, u které je však třeba pouţít oproti válcování uhlíkových ocelí mnohem větších tlaků a menších úběrů. Další pouţívanou technologií tváření korozivzdorné oceli za tepla je kování. Ocel určená ke kování nesmí mít povrchové vady, jakými jsou např.

trhliny, aby se při kování nešířily a proto se často pouţívá zcela obroušený polotovar či tyčová ocel. Kování by mělo začít mírnými údery, a ty by měly nabývat na intenzitě tím více, čím vyšší je teplota, aby byla ocel plasticky deformována v celém průřezu a nemohly uvnitř vzniknout trhliny. Technologií zápustkového kování lze kovat pouze jednodušší tvary a to při počátečních teplotách vyšších neţ bylo pro kování uvedeno v kapitole 2.2.4.1.

Jednou z velmi obtíţných operací je výroba bezešvých trub technologií taţení z austenitických ocelí. Tváření zde ztěţuje obsah feritu v austenitu, který se při vyšších teplotách ještě zvyšuje. Proto se pro výrobu bezešvých trub volí oceli se sníţeným obsahem chrómu a zvýšeným obsahem niklu. Mezi zvláštní technologie tváření korozivzdorných ocelí patří výroba trub taţením na lisu. Jako mazivo se při tomto procesu pouţívá roztavené sklo

Séjournetův postup . 15

2.2.5 Tváření korozivzdorných ocelí za studena

Tváření korozivzdorných ocelí je velmi rozšířenou metodou. Výhodou tváření za studena je získání vysoce jakostního povrchu. Díky vysokému stupni deformace, která při tváření za studena v materiálu vzniká, se zvyšují mechanické vlastnosti korozivzdorné oceli. Oproti tváření za tepla je však nevýhodou potřeba o 50 aţ 100 větších výkonových parametrů stroje. Příklady technologií a metod, kterými je tváření korozivzdorných ocelí realizováno, jsou stručně popsány v následující kapitole. 15

2.2.5.1 Tvářecí technologie

Jednou z nejpouţívanějších technologií tváření korozivzdorných ocelí za studena je válcování. Válcované plechy a svitky se vyrábějí z austenitických a feritických ocelí.

Redukce tloušťky na jeden úběr činí často 20 aţ 25 při rychlosti 500 m za minutu.

V závislosti na velikosti redukce tloušťky plechu musí být provedeno mezioperační ţíhání pro znovuobnovení plasticity oceli po deformačním zpevnění. Další tvářecí technologií je

hluboké taţení. K hlubokému taţení se nejvíce pouţívá druhů feritických ocelí s velmi nízkým obsahem uhlíku a dusíku, popř. legovaných titanem 0,5 aţ 1 , které jsou za studena snadno tvářitelné. Pro hloubení tahem se k mazání pouţívá tuku sulfonovaný, chlorovaný, parafinový vosk ředěný minerálním olejem , který je schopen tvořit film mezi nástrojem a tvářenou ocelí i za velkých tlaků. Vhodné je k mazání i mýdlo, ale naopak se nesmí pouţívat k mazání korozivzdorné oceli grafit, který ulpívá v mikronerovnostech tvářeného povrchu a nedá se zcela odstranit, jelikoţ by při následném tepelném zpracování došlo k nauhličení oceli. Pro malé hloubky taţení se dá pouţít také mazadel z plastických hmot, jako např. polyvinyl, polyetylen, v podobě tenkých přilnavých blan či samolepících filmů. Zmenšení průměru po prvním tahu nemá být větší neţ 40 průměru výchozího kotouče. Po kaţdém dalším tahu by zmenšení průměru nemělo přesáhnout 15 . Austenitické a feritické oceli je moţno také tvářet nekonvenčními metodami taţení. Pouţívá se např. metody Hydroform a nebo tváření výbuchem. Běţné tváření, jakým je ohýbání a lemování plechů, je v případě feritické korozivzdorné oceli stíţeno škodlivým zpevněním vznikajícím při úpravách o malém poloměru zakřivení. Nelze-li výrobek po tváření vyţíhat, je třeba se těmto úpravám tvaru vyhnout. Tváření plechů pomocí ohýbání je v dnešní době velmi vyuţívanou technologií. Při ohýbání korozivzdorné oceli však dochází k vysoké pruţné deformaci, tzv. pruţinový efekt, kdy se materiál po ukončení silového působení tvářecího nástroje snaţí navrátit do výchozího stavu před ohybem. Toto odpruţení materiálu je způsobeno schopností deformačního zpevnění oceli a velikost odpruţení závisí i na tloušťce plechu a poloměru křivosti ohybu. 15

2.3 Tribologie

Slovo tribologie pochází z řeckého - tribos , coţ v řečtině znamená tření nebo třít.

Tribologie je interdisciplinární věda, která se zabývá stavem a procesy v přirozených

a umělých tribologických systémech, vzájemným působením dotýkajících se povrchů při jejich pohybu nebo při snaze o tento pohyb a s tím související technologií. Pohyb těchto vzájemně se dotýkajících povrchů můţe být obecně kluzný, valivý, rotační, nárazový nebo kmitavý. V reálných situacích se však vyskytují hlavně kombinace dvou i více druhů pohybu současně. Tribologie je komplexní vědní obor, který neřeší pouze problematiku tření dotýkajících se povrchů, ale řeší i mazání a opotřebení těchto povrchů. K řešení všech těchto komplexních problémů je nutná vzájemná spolupráce i s dalšími vědními obory jako jsou např. tribotechnika, chemie, fyzika, mechanika, nauka o materiálu, technologie, biologie a organizace a řízení.

Interakce mezi povrchy různých materiálů, mezilátky, okolí těchto povrchů, prostor

a čas, ve kterém se tyto interakce dějí, to vše charakterizuje tribologický proces. Všechny tyto obecné vazby jsou znázorněny na obr. 2.3.1. 16,17

Obr. 2.3.1 Vzájemné vazby v tribologickém systému /17/

2.3.1 Tribologické zkoušky

Z charakteru tribologie jakoţto interdisciplinární vědy vyplívá, ţe se na zkoumání tribologických procesů pouţívají velmi různorodé metody a techniky. Pro zvolení vhodné tribologické zkoušky, je třeba znát působící zatíţení, tribostrukturu a velikost ztrát zkoumaného tribologického systému. Abychom se co nejvíce přiblíţili reálnému tribologickému systému, je mnohdy nutné provádět tribologické zkoušky nejen v laboratorních podmínkách, ale i na modelovém zkušebním zařízení, nebo je-li to nevyhnutelné, přímo v provozu.

Technologie tváření plechů je sloţitý tribologický systém, do kterého vstupuje velké mnoţství vlivů. Jedním z nejvýznamnějších faktorů ovlivňujících proces tváření plechů je velikost třecí síly. Její velikost závisí na

druhu pouţitého substrátu chemické sloţení povrchu substrátu, nepokovený, typ pokovení

mikrogeometrii povrchu substrátu textura povrchu a drsnost této textury druhu materiálu nástroje a stavu jeho povrchu

rychlosti posuvu substrátu po nástroji

velikosti kontaktního tlaku mezi substrátem a nástrojem deformaci materiálu substrátu

druhu pouţitého maziva při tváření atd.

V dnešní době se automobilový průmysl bez tváření plechů neobejde, tak jako se neobejde tváření plechů bez tribologie. Na výlisky z plechů jsou kladeny čím dál větší

poţadavky jak z hlediska technologických procesů, tak i z hlediska výsledných pevnostních a v neposlední řadě i estetických vlastností.

Pro získání ideálních technologických podmínek při minimálním vynaloţení finančních prostředků je třeba provést modelaci tvářecího procesu. Hlavní veličinou ovlivňující proces tváření plechů je velikost třecí síly. K určení její velikosti se pouţívá modelování tření mezi substrátem a nástrojem. Přehled v současnosti nejvíce pouţívaných zkušebních metod, je v následující kapitole. 16,17

2.3.2 Modelování tření mezi přidržovačem a tažnicí

Modelování třecího procesu při posuvu tvářeného materiálu mezi přidrţovačem a taţnicí je v dnešní době jeden z nejrozšířenějších testů. Tento test vyvinul W. J. Wojtowicz. Princip tohoto testu spočívá v protahování pásku rychlostí v mezi zkušebními čelistmi, které jsou k sobě přetlačovány normálovým zatíţením FN. Schematické znázornění principu tohoto testu je na obr. 2.3.2.

Velkou výhodou tohoto testu je snadné nastavení parametrů testu rychlosti protahování pásku v a velikosti normálového zatíţení FN a sloţité není ani měření velikosti sledované veličiny F_Tažná. Koeficient tření se snadno vypočte ze silových hodnot FN a F_Tažná dle následujícího vztahu

N Tažná

F F

2 ²

kde je

………… je koeficient tření - F_Taţná……. je taţná síla N

FN……….. je normálové zatíţení N

a normálové zatíţení se dá rozepsat podle vztahu S

p

F_N 3

kde je

p………… je kontaktní tlak MPa S………… je kontaktní plocha mm²

Dosazením do vztahu 1 se pak dostane finální vztah pro koeficient tření mezi zkušebním páskem a čelistmi

S p F_Tažná

2 ⁴

Tento test má však i své nevýhody. Modelové zatíţení testovaného materiálu neodpovídá skutečnému zatíţení při tváření. U zkušebního materiálu se neprojeví skutečné stavy napjatosti vznikající pod přidrţovačem a při protahování testovaného materiálu nedochází k tak výrazným plastickým deformacím, tak jako tomu je při zhotovování výlisků pro karosářský průmysl. Velký vliv na výsledky zkoušky má geometrie čelistí náběţné hrany v místech, kde materiál mezi ně vstupuje. 17

Obr. 2.3.2 Modelování tření mezi přidrţovačem a taţnicí /17/

2.3.3 Modelování tření na tažné hraně

V tomto případě modelování tření je zkušební materiál taţen přes váleček o zvoleném poloměru R, který nahrazuje skutečnou taţnou hranu taţnice. Váleček se neotáčí. Zkušební materiál je přes taţnou hranu taţen konstantní rychlostí v. Naměřenou veličinou pro určení tribologických vlastností vznikajících na taţné hraně taţnice je velikost taţné síly F_Tažná. Na výsledné velikosti taţné síly se podílí brzdící reakční sloţka síly protitahu FP, délka, ve které je zkušební materiál ve styku s válečkem o poloměru R tzv. úhel opásání , koeficient tření mezi válečkem a zkušebním materiálem a mechanické vlastnosti protahovaného materiálu.

Schematická ukázka principu tohoto testu je na obr. 2.3.3.

Taktéţ jako v předchozí zkoušce, je i zde velkou výhodou snadné nastavení rychlosti protahování vzorku. Nevýhodou je, na rozdíl od zkoušky popsané v kapitole 2.3.2, kde byl kontaktní tlak mezi čelistmi a zkušebním materiálem nastavován dle potřeby, ţe v tomto případě kontaktní tlak mezi zkušebním materiálem a válečkem, vyvozený od velikosti taţné síly a síly protitahu, se dá špatně kontrolovat. Pro zjištění hodnoty koeficientu tření na válečku nebo-li taţné hraně, je třeba zjistit velikost síly potřebné pro ohnutí a následné narovnání zkušebního materiálu na taţné hraně. 17

Obr. 2.3.3 Modelování tření na taţné hraně /17/

2.3.4 Modelování vypínání přes tažnou hranu

V tomto testu je zkušební vzorek taţen přes válcovou plochu o poloměru R, která nahrazuje taţnou hranu. Na rozdíl od metody popsané v kapitole 2.3.3, kde se celý vzorek pohyboval konstantní rychlostí v, je zkušební vzorek na jednom konci pevně upnut a na druhém konci se pohybuje rychlostí v. Pro zkušební vzorek se zvolí velikost deformace, které se má dosáhnout a výsledkem zkoušky je velikost naměřené taţné síly F_Tažná potřebné k dosaţení předem stanovené deformace. Tato metoda simuluje tribologické podmínky vznikající při hlubokém taţení výlisku a vniklá deformace je podobná deformaci, která při tomto taţení nastává v kontaktní oblasti na čele taţníku. Nevýhodou této zkušební metody je obtíţná nastavitelnost kluzné rychlosti na válcové ploše a velikosti kontaktního tlaku. Princip této metody je schematicky znázorněn na obr. 2.3.4. 17

Obr. 2.3.4 Modelování tření mezi přidrţovačem, taţnicí a taţnou hranou /17/

2.3.5 Modelování tření mezi přidržovačem, tažnicí a tažnou hranou

Modelování tření mezi přidrţovačem, taţnicí a taţnou hranou je kombinací metod popsaných v kapitolách 2.3.2 a 2.3.3. Kontaktní tlak mezi čelistmi je vyvozen hydraulickým válcem a jeho velikost se dá nastavovat dle potřeby i v průběhu tribologického testu.

Zkušební vzorek je protahován mezi čelistmi přípravku konstantní rychlostí. Taţná hrana taţnice má předem stanovený rádius R. Výslednou veličinou potřebnou pro hodnocení tribologických vlastností je opět velikost síly potřebné pro protaţení zkušebního vzorku mezi čelistmi F_Tažná. Naměřená síla je základní veličinou pro výpočet koeficientu tření při taţení.

Schematické zobrazení této metody je vidět na obr. 2.3.5. 17

Obr. 2.3.5 Modelování tření mezi přidrţovačem, taţnicí a taţnou hranou /17/

2.3.6 Další způsoby tribologických zkoušek plechů

Pro simulaci nejrůznějších tribologických podmínek se pouţívá velké mnoţství laboratorních a technologických zkoušek. Technologické zkoušky však ve většině případů převládají a jejich nevýhodou je, ţe se výsledky z jednotlivých pracovišť mezi sebou nedají porovnávat. Jednotlivé zkušební metody jsou koncipovány tak, aby co nejvíce vypovídaly o tribologických vlastnostech zvoleného maziva a substrátu, v závislosti na pouţitých technologických podmínkách. Na obr. 2.3.6 jsou schematicky zobrazeny některé z dalších pouţívaných zkoušek pro hodnocení tribologických vlastností. 17

Obr. 2.3.6 Ukázka dalších tribologických zkoušek plechů /17/

3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

3.1 Cíl experimentu

Jedním z cílů experimentální části práce bylo zjištění, zda je moţné vytvořit mezi dvěma součástmi z korozivzdorné oceli s označením DIN 1.4301 kvalitní lepený spoj pro pouţití v automobilovém průmyslu. K tomuto hodnocení bylo vyuţito zkoušky pevnosti ve smyku, dle příslušné normy PV 12.35. K lepení bylo pouţito lepidel BETAGUARD RB 214 BV, CORABOND V, SIKAPOWER 492 G a BETAMATE 1496 F, které se pouţívají především pro konstrukční lepení karosářských výlisků. Uvedená lepidla jsou jednosloţková a všechny mají velmi dobrou přilnavost k mazivy znečištěným, nebo ošetřeným povrchům, coţ je pro moţnosti lepení karosářských výlisků jedním z nejdůleţitějších faktorů ovlivňujících kvalitu lepeného spoje. Dalším cílem bylo zjištění, zda je zvolený typ oceli vhodný pro karosářské výlisky z hlediska tribologických vlastností při pouţití v dnešní době pouţívaných tvářecích nástrojů z legované tvárné litiny s označením GGG 70L.

3.2 Charakteristika materiálu použitého pro experiment

3.2.1 Obecná charakteristika použitého materiálu

Pro zjištění schopnosti vytvářet pevnostní lepený spoj mezi nerezavějícími ocelovými plechy, bylo zvoleno oceli s označením DIN 1.4301. Jedná se o austenitickou nerezavějící ocel obsahující 18 Cr a 10 Ni. Austenitická fáze gama je paramagnetická, coţ znamená, ţe ocel je nemagnetická. Ocel vykazuje vynikající korozní odolnost za působení vody, páry a vlhkosti bez koncentrace chloridů, organických kyselin a solí. Zvýšení korozní odolnosti je moţné pomocí povrchového leštění. Svařitelnost této oceli je zaručená. Obrábění je zhoršené a moţné pouze za pouţití velmi ostrých nástrojů z vysokolegovaných rychlořezných ocelí, nebo nástrojů s destičkami z tvrdokovu. Povolené tepelné namáhání oceli je do 300 C.

Tváření oceli technologií taţení, ohraňování a válcování je velmi dobré. Mechanické vlastnosti oceli jsou vynikající i za velmi nízkých teplot. Oceli je pouţíváno v průmyslu potravinářském, farmaceutickém, kosmetickém, automobilovém, fasádní a bytové architektuře, na chirurgické nástroje a zdravotnická zařízení. Její pouţití není vhodné v chemickém průmyslu, jelikoţ odolává jen některým málo koncentrovaným kyselinám. 18

3.2.2 Statická zkouška tahem

Stanovení základních materiálových charakteristik testovaného materiálu bylo provedeno statickou zkouškou tahem dle EN ISO 6892-1 na stroji TIRAtest 2300.

Vyhodnocení naměřených dat probíhalo pomocí softwaru LabNET4. Ten vyhodnocuje základní mechanické hodnoty Rp0,2, Rm, A 80 mm, včetně jejich průměrných hodnot

a směrodatné odchylky.

Zjištěné mechanické hodnoty testovaného materiálu včetně hodnoty aritmetického průměru x, směrodatné odchylky výběru s, minimálních a maximálních hodnot, jsou uvedeny v tabulkách 3.2.1 a 3.2.2.

 Použité zařízení

Trhací stroj TIRAtest 2300 je univerzální zařízení pro zkoumání mechanických vlastností materiálů. Zařízení je řízeno počítačem a umoţňuje zkoušky jednoosého namáhání v tahu, tlaku a cyklické testy do 3 Hz. Maximální zatíţení zařízení je 100 kN.

Hodnotu maximálního zatíţení je moţné měnit výměnou snímací hlavy. Rozsah zatěţovací rychlosti je 1 400 mm/min. K zařízení je moţné připojit teplotní komoru o rozsahu -80 C 230 C. Fotodokumentace zkušebního zařízení, upnutí vzorku v čelistech a detailní fotografie přetrţení zkušebního vzorku jsou uvedeny v přílohách č. 8, č. 9 a č. 10.

Tab. 3.2.1 Tabulka mechanických hodnot

Vzorek číslo Rp0,2 MPa Rm MPa A 80 mm

1 334,8 701,0 54,32

2 268,6 618,0 51,47

3 278,7 631,5 55,33

4 276,4 631,1 54,70

5 277,7 632,4 53,66

Tab. 3.2.2 Tabulka statistických hodnot Statistická

hodnota Šířka mm Rp0,2 MPa Rm MPa A 80 mm

n 5 5 5 5

x 19,75 287,2 642,8 53,90

s 0,28 26,9 33,1 1,49

min 19,35 268,6 618,0 51,47

max 20,02 334,8 701,0 55,33

Na obr. 3.2.1 je znázorněn průběh diagramu testovaného substrátu ze statické zkoušky tahem. Protokol ze statické zkoušky tahem se nachází v příloze č. 11.

Obr. 3.2.1 Diagram statické zkoušky tahem testovaného substrátu

Tab. 3.2.3 Mechanické vlastnosti plechu DIN 1.4301 /19/

Mechanické vlastnosti plechu DIN 1.4301

Mez pevnosti v tahu Rm MPa 520 720

Smluvní mez kluzu Rp0,2 MPa 210

Taţnost A 80 mm min. 45

Tloušťka plechu mm 1

Tab. 3.2.4 Chemické sloţení plechu DIN 1.4301 /20,21/

Chemické sloţení plechu DIN 1.4301 hmotnostní podíl v

Označení C Cr Mn Ni N P S Si

X5CrNi18-

10 0,07 17 20 2 9 11,5 0,11 0,045 0,03 1

Vzorky pro experimentální část měření bakalářské práce zabývající se lepením byly pro zkoušku pevnosti ve smyku připraveny dle normy PV 12.35 viz příloha č. 7 a skládají se ze dvou dílů pásků plechu, jejichţ příprava je uvedena v následujících kapitolách.

3.3 Příprava vzorků na lepení

Pro získání kvalitních a vnějšími vlivy neovlivněných dat, je nutné provést přípravu vzorků pro slepení dle příslušné normy. Pro účely této bakalářské práce bylo pro lepené spoje zvoleno testování pevnosti ve smyku dle normy PV 12.35. V následujících kapitolách se popisuje postup přípravy vzorků dle výše uvedené normy od výběru vhodných materiálů pro přípravu odmašťovací prostředek, mazací olej, lepidlo , nastříhání substrátu na rozměry dle uvedené normy, očištění a odmaštění, označení vzorků, aţ po nanesení maziva na substrát.

3.3.1 Použité materiály pro přípravu vzorků

 Použitý odmašťovací prostředek

C-sol EXTRA je kapalná směs ropných uhlovodíků bez obsahu halogenů, která se pouţívá k bezoplachovému odmašťování a čištění materiálu za studena. Přípravek má velmi dobrou čistící schopnost a účinkuje na většinu olejů, tuků, vazelín a vosků. Nijak nepoškozuje povrch čištěného materiálu a nezpůsobuje jeho korozi a proto je ideální pro čištění oceli, zinku, hliníku, mědi a titanu. Je to hořlavá kapalina s bodem vzplanutí při 63°C.

Další specifikace přípravku je moţné najít v materiálovém listu, viz příloha č. 1. 22

 Použité mazivo

Mazivo ANTICORIT PL 3802-39 S je olej typu Prelube, coţ znamená kombinaci ochranného antikorozního oleje a tvářecího maziva pouţívaného v ocelárnách.

Mazivo se vyznačuje speciálními vlastnostmi jako např.

antikorozní ochrana i za extrémních klimatických podmínek udrţení optimálního tvářecího výkonu i při obtíţném taţení vhodnost pro zušlechtěné plechy

kompatibilita s běţnými lepícími systémy při výrobě automobilů. 23 Tab. 3.3.1 Charakteristika maziva ANTICORIT PL 3802-39 S /23/

Vlastnosti Jednotka Údaje

Hustota při 15 C kg/m³ 915

Viskozita při 40 C mm²/s 60

Bod vzplanutí C 196

Obsah vody hmotnosti 0,2

Barva - hnědá

Obsah aromátu v základovém oleji hmotnosti 7

Další specifikace o tomto mazivu je moţné nalézt v technickém listu, viz příloha č. 2.

Použitá lepidla

 BETAGUARD RB 214 BV lepidlo č. 1

Lepidlo má dobrou přilnavost na olejnatý povrch s maximálním mnoţstvím maziva nepřekračujícím 3,5 g/m². Povrch, na který je lepidlo aplikováno by neměl být zahřátý na teplotu vyšší něţ 45 C. Po vytvrzení lepidlo dosahuje vysoké mechanické pevnosti a vyniká dobrou odolnosti proti korozi. Kompletní specifikace lepidla BETAGUARD RB214 BV je uvedena v příloze č. 3. 24

Tab. 3.4.1 Charakteristika lepidla BETAGUARD RB 214 BV

Vlastnost Jednotka Údaj

Chemická báze - syntetický kaučuk

Barva - šedo-černá

Obsah pevné látky 99

Hustota g/cm³ 1,40 0,05

Pevnost ve smyku 20 25 mm;

tl. 0,2 mm; v = 25 mm/min N/mm² 3 5

Podmínky vytvrzení - max 30 minut / 205 C

 CORABOND V lepidlo č. 2

Corabond V je strukturální jednosloţkové lepidlo na bázi syntetického kaučuku. Toto konstrukční lepidlo se pouţívá k lepení menších součástí karosérie. Kompletní specifikace lepidla CORABOND V je uvedena v příloze č. 4.

Tab. 3.4.2 Charakteristika lepidla CORABOND V

Vlastnost Jednotka Údaj

Chemická báze - syntetický kaučuk

Barva - černá

Hustota při 20 C g/cm³ 1,6

Bod vzplanutí C 100

Forma - pasta

 SIKAPOWER 492 G lepidlo č. 3

Lepidlo je jednosloţkové pro aplikaci za tepla, tepelně vytvrditelné a vysoce strukturně upravené na epoxidové bázi. Lepidlo je navrţeno pro práci v autoservisu pro montáţ plechu s vytvrzením za tepla, např. v nátěrové peci, pro vytvoření vysoce výkonného termosetu.

Kompletní specifikace lepidla SIKAPOWER 492 G je uvedena v příloze č. 5. 25

Tab. 3.4.3 Charakteristika lepidla SIKAPOWER 492 G

Vlastnost Jednotka Údaj

Chemická báze - epoxid hybrid

Barva - černá

Obsah pevné látky 99

Viskozita při 50 C Pa s 1000

Pevnost ve smyku MPa 20

Pevnost v odlupu N/mm 9

Pevnost v tahu MPa 30

 BETAMATE 1496 F lepidlo č. 4

Lepidlo je jednosloţkové na epoxidové bázi vyvinuté pro aplikaci na automobilové karosérie. Lepidlo má výbornou přilnavost na ocelové a hliníkové konstrukce karoserie i při znečištění povrchu oleji a mazacími materiály. Pouţívá se pro zvýšení odolnosti a tuhosti karoserie proti nárazu. Lepidlo ochraňuje kov i sváry před korozí. Kompletní specifikace lepidla BETAMATE 1496 F je uvedena v příloze č. 6. 26

Tab. 3.4.4 Charakteristika lepidla BETAMATE 1496 F

Vlastnost Jednotka Údaj

Chemická báze - epoxidová pryskyřice

Barva - modrá

Obsah pevné látky 99

Viskozita při 40 C Pa s 500

Pevnost ve smyku 25 10 0,2 mm MPa 30

Pevnost v odlupu N/mm 4,0

Pevnost v tahu MPa 32

3.3.2 Nastříhání vzorků

Nastříhání vzorků z nerezového plechu bylo provedeno na elektromechanických tabulových nůţkách MS 2004 DURMA (viz obr. 3.3.1) na rozměry 120 25 mm dle příslušné normy PV 12.35. Pro kaţdé adhezivum bylo nastříháno 10 vzorků.

Obr. 3.3.1 Elektromechanické tabulové nůţky MS 2004 DURMA /27/

3.3.3 Očištění a odmaštění vzorků

Nastříhané vzorky z materiálu DIN 1.4301, se přibliţně z jedné poloviny délky zbavily nečistot a mastnoty. Vzorky se neočistily po celé délce z důvodu následné manipulace a označení. Očištění a odmaštění bylo provedeno ručně bavlněnou tkaninou, která nepouští chlup, přípravkem C-sol EXTRA viz kap. 3.3.1 . Vzorky byly rozloţeny na pracovní stůl a osušení probíhalo volně na vzduchu.

3.3.4 Označení vzorků

Před odmaštěním a očištěním vzorků se na plochu, na které měl následně být lepený spoj, udělala ve vzdálenosti 10 mm od konce ryska. Na protilehlý konec vzorku, který nebyl odmaštěn a opatřen ryskou, se lihovým fixem napsala číslice od 1 do 4 odpovídající lepidlu, které na vzorek bylo aplikováno a to vţdy po pěti vzorcích pro daný typ lepidla.

3.3.5 Nanesení maziva

Jelikoţ se v automobilovém průmyslu realizace lepení povrchů neobejde bez maziv, bylo nutné i v tomto experimentu pouţít pro materiál DIN 1.4301 vhodného maziva.

Mazivo ANTICORIT PL 3802-39 S viz kap. 3.3.1 bylo pomocí bavlněné tkaniny naneseno na vzorek, rozetřeno v mnoţství 3 g/m² v místě lepeného spoje a po dobu 1 hodiny bylo kondicionováno v horizontální poloze pro dokonalé roztečení maziva po celé lepené ploše. Po kondicionaci byla provedena kontrola naneseného mnoţství maziva na povrchu plechu pomocí speciálního přístroje pro zjišťování mnoţství maziva na povrchu plechu.

Bliţší popis zařízení a jeho funkce viz [17]. Uvedené mnoţství maziva se standardně pouţívá pro lepení v sériové výrobě automobilového průmyslu.

3.4 Vlastní lepení

3.4.1 Nanesení lepidla

Na odmaštěné a mazivem natřené vzorky z materiálu DIN 1.4301 bylo pomocí vytlačovací pistole naneseno lepidlo. To bylo vytlačováno v podobě „housenky“ na předem upravený a ryskou označený konec vzorku. Po nanesení lepidla byly příčně přes „housenku“

umístěny distanční tělíska v podobě drátků o průměru 0,2 mm dle obrázku 3.4.1. Distanční tělíska se na vzorky vkládají z důvodu zajištění rovnoměrného rozprostření lepidla po celé lepené ploše, a aby nedošlo k úplnému vytečení lepidla z místa spoje vlivem zafixování.

Následně se slepovaný protikus přitlačil naolejovanou částí na vzorek s naneseným pojivem tak, aby se jeho konec překrýval s ryskou. Lepený spoj se následně zafixoval svorkami, viz obr. 3.4.2.

Obr. 3.4.1 Umístění distančních drátků na „housenku“ lepidla

Obr. 3.4.2 Zafixování slepeného vzorku

3.4.2 Vytvrzení lepidla

Vytvrzení lepidla probíhalo v sušárně Venticell 222 při teplotě 180 C po dobu 20 minut.

Následně probíhalo chladnutí a vystárnutí vzorků 1 den při pokojové teplotě.

3.5 Zkouška vzorků

Testování vzorků probíhalo na trhacím zařízení TIRAtest 2300 viz kapitola 3.2.2 , vybaveném snímací hlavou o rozsahu 20 kN. Na obrázku 3.5.2 je detailní pohled na upnutý vzorek v čelistech. Testování probíhalo dle normy PV 12.35 viz příloha č. 7 , při které se zařízením měřila hodnota meze pevnosti ve smyku Rm daného lepidla. Zpracování

naměřených údajů probíhalo v softwaru LabNET4. Protokoly ze zkoušky pevnosti ve smyku lepidel uvedených v kapitole 3.3.1 se nacházejí v přílohách č. 12, 13, 14 a 15.

Obr. 3.5.2 Detail čelistí s upnutým vzorkem

3.5.1 Průběh zkoušky

Nejprve se v programu nastavily potřebné parametry pro kaţdé testované adhezivum.

Trhací stroj se nastavil do výchozí polohy, do čelistí se umístil zkoumaný vzorek a upnul se.

Pomocí programu se spustilo zatěţování vzorku na jednoosý tah. V průběhu zkoušky se zaznamenávala velikost vynaloţené síly v závislosti na dráze posunutí příčníku. Při překročení meze pevnosti ve smyku daného adheziva, způsobené ztrátou adhezních sil vůči substrátu, došlo k prudkému poklesu zatěţovací síly, ukončení měření a silovému odlehčení čelistí. Testovaný vzorek se následně vyjmul.

3.5.2 Hodnocení porušení lepeného spoje

Mimo měření mechanických hodnot pomocí trhacího zařízení se také provádí vizuální hodnocení porušení lepeného spoje dle ISO 10365. Toto hodnocení je subjektivní a je jím určován procentuelní výskyt poruchy typu CF kohezní lom , SCF speciálně kohezní lom a AF adhezní lom . Určení typu poruchy se provedlo dle obrázku 3.5.3. Hodnocení se provedlo u kaţdého vzorku zvlášť a výsledný procentuelní odhad typu poruchy je průměrem pro celý soubor vzorků daného adheziva. Procentuelní odhady typů porušení se sčítají a jejich výsledný součet musí být vţdy roven 100 %. U adheziv č. 1 a č. 2 bylo u většiny vzorků zjištěno porušení CF. U adheziva č. 3 se mimo porušení CF, také začalo v minimální míře objevovat porušení SCF. Pouze u adheziva č. 4 se vykytovalo porušení v kombinaci

Obr. 3.5.3 Typy porušení lepených spojů

č. 1) č. 2)

č. 3) č. 4)

Obr. 3.5.4 Ukázka porušení lepených spojů č. 1) BETAGUARD RB 214 BV, č. 2) CORABOND V, č. 3) SIKAPOWER 492 G, č. 4) BETAMATE 1496 F

3.6 Tribologické vlastnosti použitého materiálu

Aby bylo moţné zjistit, zda je pouţitý materiál vhodný pro aplikaci na výlisky automobilového průmyslu, bylo třeba ho podrobit zkoušce tření mezi čelistmi z materiálu pouţívaného u nástrojů pro tváření karosářských výlisků.

CF

SCF AF

3.6.1 Modelace tření mezi přidržovačem a tažnicí

Pro modelaci tření mezi přidrţovačem a taţnicí dále jen varianta 1B, viz obr. 2.3.2 kap 2.3.2), bylo pouţito zařízení SOKOL 400. Na povrch testovaného materiálu bylo před zkouškou naneseno mazivo ANTICORIT PL 3802-39S v mnoţství 1,5 g/m² 0,2 g/m². Mnoţství maziva bylo kontrolováno pomocí speciálního přístroje pro zjišťování mnoţství maziva na povrchu plechu. Bliţší popis zařízení a jeho funkce viz [17]. Testovaný nerezový materiál o rozměrech 400 40 1 mm se na jednom konci upnul mezi čelisti zkušebního přípravku a na druhém do čelistí opatřených snímačem síly. Zkušební čelisti jsou upevněny na přípravku uloţeném na čtyř-sloupovém vedení a přitlačují se k sobě hydraulickým válcem. Hydraulický válec je opatřen tlakovým ventilem, který kontroluje tlak kapaliny s rychlostí 10 kHz/s. Kontaktní tlak zkušebních čelistí je udrţován s přesností 0,02 MPa.

Temperování čelistí bylo nastaveno na 40 C. Po uvedení zařízení do chodu se nerezový pásek protahoval mezi zkušebními čelistmi rychlostí 1 mm/s a s nastaveným přítlakem čelistí 7, 14 a 21 MPa, coţ odpovídá reálným tvářecím podmínkám. Protokoly ze zkoušky jsou uvedeny v přílohách č. 16, 17 a 18.

3.6.2 Výsledky tribologické zkoušky

Pomocí zkušební varianty 1B bylo zjištěno, ţe nerezový plech z materiálu DIN 1.4301 je pro tvářecí nástroje z materiálu GGG 70L pouţívané v automobilovém průmyslu zcela nevyhovující a vlivem tření mezi těmito materiály dochází k jejich poškození. U čelistí, které jsou tvořeny legovanou tvárnou litinou s globulárním grafitem, dochází k vydrolení tohoto grafitu a vzniku jamek. Na obr. 3.6.1 jsou jamky zřetelně vidět jako tmavá místa po vydroleném grafitu. V případě nerezového plechu dochází k masivnímu poškození

a zadírání. Povrch plechu se odtrhává a sbaluje do kuliček, které vytvářejí hluboké dráţky jak ve zkušebních čelistech, tak i v samotném plechu.

4 VÝSLEDKY MĚŘENÍ

V této části bakalářské práce jsou uvedeny výsledky experimentálního měření, jehoţ cílem bylo zjištění schopnosti vytvářet kvalitní lepený spoj lepidel BETAGUARD RB 214 BV, CORABOND V, SIKOPOWER 492 G a BETAMETE 1496 F s materiálem DIN 1.4301. U uvedených lepidel se vyhodnocovala mez pevnosti ve smyku Rm a typ porušení lepeného spoje CF, SCF a AF v procentuální míře.

V tabulce 4.1 jsou uvedeny naměřené meze pevnosti ve smyku jednotlivých adheziv, typy jejich porušení a statistické hodnoty.

Tab. 4.1 Tabulka výsledných hodnot Lepidlo

Rm MPa

Statistická hodnota Typ porušení

Název n s CF SCF AF

BETAGUARD RB 214 BV 8,36 5 1,07 100 0 0

CORABOND V 12,31 5 0,60 100 0 0

SIKAPOWER 492 G 30,29 5 1,73 95 5 0

BETAMATE 1496 F 31,65 5 0,65 85 10 5