Feasibility study to increase the resistance class of slender screws for automotive, changing production process and thermal treatment

This study considers low alloying steels with molybdenum, manganese, and boron, used for long screws production for fastening batteries on electric vehicles. The main characteristics required are high mechanical properties and lightness. The goal of the study is to reach the resistance class 10.9, mainly because the geometry is slender, starting from the class 8.8 that is currently produced by “Agrati Group S.p.a.”. The main constrain is the production process because the company requires to perform the thermal treatment only before the cold forming operations, to avoid post thermal treatments that sprains these long screws, increase the production costs, and have a high environmental impact. Two chemical compositions have been considered: steels 30MoB1 and 20MnB5. On steel 30MoB1 several quenching and tempering thermal treatments have been performed. On steel 20MnB5 many quenching and tempering, some austempering and a quenching and partitioning thermal treatments have been developed. The characterisation (tensile tests, microhardness, microstructures) was conducted both on the material and on the components. On the materials to verify if the resistance class has been reached, and to understand if problems arise due to the thermal treatments. On the components to verify if the obtained steels can be cold formed on the available machines, obtaining screws with the required geometry and properties. The most promising thermal treatment on steel 30MoB1 is quenching at 850°C for 7.5 minutes and tempering at 480°C for 1 hour, which allows to reach UTS = 1’039 N/mm2 and YS = 1’016 N/mm2, with a residual ductility of 7.9% and striction of 54.9%. Several rods are treated and charged on the machine, to test the cold forming process. The requirements of norm ISO 898 are verified on the cold formed products: tensile and torsional tests.

Questo studio considera acciai debolmente legati al manganese, al molibdeno e al boro, impiegati per produrre lunghe viti utilizzate per fissare i pacchi batterie sulle auto elettriche. Le principali caratteristiche richieste sono elevate proprietà meccaniche e leggerezza. L’obiettivo è raggiungere la classe di resistenza 10.9, perché la geometria snella lo richiede, partendo dalla classe 8.8 che è attualmente prodotta da “Agrati Group S.p.a.”. Il principale vincolo è il processo di produzione, perché l’azienda non vuole effettuare trattamenti termici dopo il processo di stampaggio, perché modificano la geometria, stortano il prodotto finale, aumentano i costi di produzione e hanno un elevato impatto ambientale. Due acciai sono stati considerati, il 30MoB1 e il 20MnB5. Sull’acciaio 30MoB1 diverse bonifiche sono state effettuate. Sull’acciaio 20MnB5 diverse bonifiche, alcuni patentamenti e un quenching and partitioning sono stati sviluppati. La caratterizzazione (test di trazione, micro-durezze e microstrutture) è stata svolta sul materiale e sulle viti stampate. Sul materiale per verificare se la classe di resistenza è stata raggiunta, e se insorgono problemi a seguito del trattamento termico. Sulle viti stampate per verificare se l’acciaio trattato può essere stampato sulle macchine in dotazione, ottenendo viti con geometria e proprietà desiderate. Il trattamento termico più promettente riguarda l’acciaio 30MoB1, consiste in tempra a 850°C per 7.5 minuti e rinvenimento a 480°C per un’ora. Si ottiene UTS = 1'039 N/mm2, YS = 1'016 N/mm2, duttilità residua 7.9% e strizione 54.9%. Diverse barre trattate termicamente sono state stampate in macchina e le specifiche della norma ISO 898 (test di torsione e test di trazione) sono state verificate sulle viti finali.