Walcowanie blach o strukturze wielofazowej metod obróbki cieplno - mechanicznej ze stali konstrukcyjnej z mikrododatkami Nb i Ti #

Transkrypt

1 AMME 23 12th Walcowanie blach o strukturze wielofazowej metod obróbki cieplno - mechanicznej ze stali konstrukcyjnej z mikrododatkami Nb i Ti # J. Adamczyk, A. Grajcar Zakład Inynierii Materiałów Konstrukcyjnych i Specjalnych Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, 44-1 Gliwice, Poland W pracy okrelono warunki walcowania blach o strukturze ferrytyczno bainitycznej z austenitem szcztkowym ze stali konstrukcyjnej C-Mn z mikrododatkami Nb i Ti energooszczdn technologi obróbki cieplno mechanicznej. Warunki tej obróbki dobrano na podstawie opracowanego wykresu przemian austenitu przechłodzonego odkształconego plastycznie OCTP c, kinetyki rozpuszczania si w austenicie faz midzywzłowych NbC i TiN oraz wpływu temperatury austenityzowania na wielko ziarna austenitu pierwotnego. Stwierdzono, e blacha wytworzona metod obróbki cieplno - mechanicznej wykazuje korzystniejsze własnoci mechaniczne ni po konwencjonalnym hartowaniu izotermicznym z zakresu dwufazowego α + γ. Jest to wynikiem bardziej drobnoziarnistej struktury oraz wikszego udziału austenitu szcztkowego w blachach chłodzonych w sposób kontrolowany bezporednio po walcowaniu na gorco. 1. WSTP Rozwój przemysłu motoryzacyjnego stymuluje denie do zmniejszenia masy samochodów, oddziaływajcej istotnie na zuycie paliwa oraz emisj do otoczenia szkodliwych spalin. Wynika std poszukiwanie nowych materiałów konstrukcyjnych do produkcji blach o wysokiej wytrzymałoci oraz podatnoci na kształtowanie technologiczne [1]. Zainteresowanie wzbudzaj stopy na osnowie Al i Mg oraz kompozytowe tworzywa polimerowe. Jednak nadal około 63% masy samochodu stanowi elementy konstrukcyjne wytwarzane z blach stalowych [2]. Wyrazem tego zainteresowania jest uruchomienie midzynarodowego projektu badawczego ULSAB AVC (Ultra Light Steel Auto Body Advance Vehicle Concept) [3], którego celem jest opracowanie samochodu zuywajcego do 3 litrów paliwa na 1 km. Oprócz blach samochodowych walcowanych na gorco ze stali mikrostopowych w integracji z cigłym odlewaniem wlewków oraz przyspieszonym chłodzeniem i zwijaniem w krgi, blach cienkich - umacnianych podczas wypalania lakieru przez starzenie zgniotowe (bake hardening effect) oraz typu IF (interstitial free) o duej podatnoci na głbokie tłoczenie [4, 5], program przewiduje wprowadzenie blach stalowych o strukturze wielofazowej typu dual phase (ferrytyczno martenzytycznej) oraz TRIP # Praca finansowana przez Komitet Bada Naukowych w ramach grantu promotorskiego nr 7 T8A 16 2

2 1 J. Adamczyk, A. Grajcar (Transformation Induced Plasticity) o strukturze ferrytyczno bainitycznej z austenitem szcztkowym, umacnianych w procesie kształtowania technologicznego wyrobów w wyniku przemiany martenzytycznej tej fazy, a take blach o wytrzymałoci nawet do 12 MPa ze stali typu CP (complex phase) oraz stali martenzytycznych typu TMS, zachowujcych wymagan podatno na kształtowanie technologiczne [6]. Moliwo umocnienia stali zwizanego z przebiegiem przemiany martenzytycznej w trakcie odkształcenia plastycznego analizowano ju w 1967r. w trakcie bada stali wysokostopowych Cr-Ni o zmiennym steniu niklu [7]. Wynik tych bada stanowi podstaw opracowywanych obecnie stali C-Mn-Si typu TRIP o strukturze ferrytyczno bainitycznej z 5-15% udziałem metastabilnego austenitu szcztkowego. Dominujc dotychczas technologi produkcji tych stali jest obróbka cieplna blach walcowanych na zimno, a nastpnie austenityzowanych w temperaturze wyszej od A c1 i hartowanych izotermicznie w temperaturze 35 4 C. Szczególne zainteresowanie wzbudza alternatywna, energooszczdna technologia obróbki cieplno mechanicznej tych blach [8], polegajca na walcowaniu blach na gorco z nastpnym kilkuetapowym chłodzeniem. Zawarto wgla w stalach typu TRIP wynosi od,15 do,4%, Mn od 1,2 do 2%, a Si do 1,5% [9]. Przewiduje si moliwo czciowego zastpienia krzemu przez Al i P [1] oraz wprowadzenie stali mikrostopowych, szczególnie podatnych na tworzenie drobnoziarnistej struktury austenitu pierwotnego w procesie obróbki cieplno mechanicznej. Celem pracy jest opracowanie warunków obróbki cieplno mechanicznej oraz porównanie struktury i własnoci mechanicznych blach typu TRIP wytworzonych t metod oraz po klasycznym hartowaniu izotermicznym. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADA Badania przeprowadzono na stali konstrukcyjnej C-Mn z mikrododatkami Nb i Ti (tablica 1) wytopionej w próniowym piecu indukcyjnym firmy Balzers VSG-5. Ciekły metal odlewano od góry do wlewnic o pojemnoci 25 kg w osłonie argonu. Stal zawiera ograniczon zawarto zanieczyszcze S i P oraz obnione do,5% - w stosunku do najczciej stosowanego 1,5% - stenie krzemu. Ogranicza to trudnoci technologiczne, zwizane z procesem grafityzacji i odwglenia stali w wysokiej temperaturze oraz zabezpieczenia blach przed korozj przez cynkowanie. Wlewki poddano kuciu swobodnemu na szybkobienej prasie hydraulicznej oraz wstpnemu walcowaniu na gorco na płaskowniki o wymiarach 14x14x8 mm, które poddano wyarzaniu ujednoradniajcemu w temperaturze 12 C przez 4 h w atmosferze N 2. Tablica 1 Skład chemiczny badanej stali Zawarto składników, %wag. C Mn Si P S Nb Ti Al c Al m N,2 1,41,5,14,8,27,1,2,12,47 Warunki obróbki cieplno mechanicznej blach dobrano na podstawie kinetyki rozpuszczania si w austenicie faz miedzywzłowych wprowadzonych do stali mikrododatków, okrelenia temperatury rekrystalizacji austenitu odkształconego plastycznie oraz wielkoci ziarn tej fazy w funkcji temperatury austenityzowania, a take wyznaczonego wykresu przemian austenitu prze-chłodzonego w stanie odkształconym plastycznie. Górn

3 Walcowanie blach o strukturze wielofazowej 11 Zawarto Nb, %wag.,7,6,5,4,3,2,1 NbC TiN Nb=,27% Temperatura, C,1,8,6,4,2 Rys. 1. Kinetyka rozpuszczania NbC i TiN w austenicie w stali o zawartoci,27%nb;,1%ti;,2%c i,47%n rednica ziarna austenitu, [µm] Temperatura austenityzowania, [ C] Zawarto Ti, %wag. temperatur walcowania płaskowników dobrano analizujc kinetyk rozpuszczania azotków TiN i wglików NbC, korzystajc z zalenoci [5]: log [M][X] = B - A/T (1) gdzie: [M] i [X] odpowiednio udziały wagowe mikrododatków metalicznych Ti i Nb oraz metaloidów N i C, rozpuszczonych w roztworze stałym w temperaturze T, natomiast A, B - stałe zalene od rodzaju fazy zaczerpnite z pracy [5]. Jak wynika z rysunku 1 całkowite rozpuszczenie w austenicie wprowadzonego do stali Nb nastpuje w temperaturze około 11 C, natomiast rozpuszczonego mikrododatku Ti w tej temperaturze zaledwie około,1%. Oznacza to, e górna temperatura walcowania nie powinna przekracza 15 C, natomiast dolna - odpowiada całkowitemu zwizaniu mikrododatków w TiN oraz NbC i by nisza od temperatury rekrystalizacji austenitu, obliczonej z zalenoci [8]: Rys. 2. Wpływ temperatury austenityzowania na wielko ziarna austenitu pierwotnego T Rγ = C + (6445Nb - 644Nb 1/2 ) + (732V - 23V 1/2 ) + 89Ti + 363Al 357Si, (2) gdzie: C, Nb, V, Ti, Al, Si udziały wagowe tych pierwiastków w stali. Austenit odkształcony plastycznie zapewnia du populacj miejsc dogodnych do zarodkowania w przemianie γ α, wystpujcych na granicach ziarn, pasmach odkształcenia oraz przecinajcych si pasmach polizgu, a std utworzenie drobnoziarnistego ferrytu. Na tej podstawie przyjto temperatur koca walcowania 85 C, nisz o 36 C od obliczonej temperatury rekrystalizacji austenitu. Poprawno przyjtego zakresu temperatury obróbki plastycznej na gorco potwierdzaj wyniki bada wpływu temperatury austenityzowania na wielko ziarn austenitu pierwotnego (rys. 2). Jak wynika z tego rysunku, przyspieszony rozrost ziarn tej fazy nastpuje dopiero po przekroczeniu temperatury 15 C. Na podstawie wymienionych danych opracowano program walcowania płaskowników o wymiarach 14x14x8mm na blach o gruboci 2 mm w czterech przepustach (tablica 2), stosujc w trzech przepustach gnioty 3%, a w ostatnim 25%.

4 12 J. Adamczyk, A. Grajcar Tablica 2 Program walcowania odcinków próbnych blachy Nr przepustu Temperatura odkształcenia, [ C] Grubo przed przepustem, [mm] Grubo po przepucie, [mm] Gniot wzgldny, [%] , 5, ,6 3, ,9 2, ,7 2, 25 Warunki chłodzenia blachy z temperatury koca walcowania ustalono na podstawie opracowanego wykresu kinetyki przemian austenitu przechłodzonego po odkształceniu Temperatura, C M F B P A c3 = 864 C A c1 = 725 C ,42,17 C/s Czas, s Rys. 3. Wykres OCTP c badanej stali z schematem przeprowadzonej obróbki cieplno - mechanicznej plastycznym (rys. 3). Zasadniczym elementem pierwszego etapu chłodzenia blachy po zakoczeniu odkształcenia plastycznego na gorco był dobór właciwej szybkoci chłodzenia, zapewniajcej optymalne warunki dla przemiany γ α, nie dopuszczajcej do zapocztkowania przemiany perlitycznej. Po zakoczeniu walcowania blach chłodzono przez 5s do temperatury nieco niszej od 7 C w spokojnym powietrzu, a nastpnie w osłonie retencyjnej wykonanej z blachy aroodpornej i materiału izolacyjnego. Podgrzanie tej osłony do 1 C umoliwiło ochłodzenie blachy w czasie 25s z temperatury 7 C do 62 C z szybkoci około 3 Cs -1. Dalsze chłodzenie blachy prowadzono z szybkoci około 1 Cs -1 do 32 C i wytrzymywano w tej temperaturze przez 2 min., po czym zastosowano wolne chłodzenie w osłonie ceramicznej do temperatury otoczenia z szybkoci około 1 Cs -1. Klasyczn obróbk ciepln przeprowadzono przez austenityzowanie blach w temperaturze 74 C przez 3 min. i chłodzenie w tych samych warunkach, jak w zaprojektowanym procesie obróbki cieplno - mechanicznej. 3. WYNIKI BADA Struktura blach wytworzonych metod obróbki cieplno - mechanicznej oraz w stanie zahartowanym izotermicznie z temperatury 74 C wykazuje istotne rónice (rys. 4 i 5). Wprawdzie udział ferrytu w obu przypadkach jest porównywalny i wynosi około 64% oraz 61% - odpowiednio po zastosowaniu obróbki cieplno mechanicznej oraz hartowania izotermicznego, jednak wielko ziarn tej fazy jest duo mniejsza w przypadku zastosowania bezporedniego chłodzenia z temperatury koca walcowania i wynosi rednio 4 µm, podczas gdy wielko ziarna ferrytu w drugim wariancie osiga wielko około 8,5 µm.

5 Walcowanie blach o strukturze wielofazowej 13 2µ m Rys. 4. Drobnoziarnista struktura ferrytyczno bainityczna blachy walcowanej metod obróbki cieplno mechanicznej; zgład wzdłuny Rys. 5. Struktura ferrytyczno bainityczna blachy hartowanej izotermicznie w temperaturze 32 C Rys. 6. Ferryt o duej gstoci dyslokacji w ssiedztwie wyspy bainitu Rys. 7. Austenit szcztkowy zlokalizowany midzy ziarnem ferrytu i bainitu Drobnoziarnist struktur ma równie bainit w stali obrobionej cieplno - mechanicznie. Jest to wynikiem rozdrobnienia ziarn austenitu przez prawie równomiernie rozmieszczone w osnowie tej fazy drobne ziarna ferrytu (rys. 4). Bainit wystpuje najczciej w postaci wysepek na granicach ziarn ferrytu o duej gstoci dyslokacji, która maleje w miar oddalania si od wysp bainitycznych (rys. 6). Frakcja austenitu szcztkowego wyznaczona metod rentgenowskiej analizy fazowej ilociowej w blasze wytworzonej metod obróbki cieplno mechanicznej wynosi 5,1%, natomiast w stanie obrobionym cieplnie zaledwie 3%. Stabilno austenitu szcztkowego do temperatury pokojowej wiadczy, i w trakcie przemiany bainitycznej w 32 C nastpuje wzbogacenie pozostałej fazy γ w wgiel, przy jednoczesnym obnieniu temperatury M s. Stwierdzono, e austenit szcztkowy wystpuje najczciej na granicy midzyfazowej ferrytu i bainitu (rys. 7). Zrónicowana struktura stali wywiera istotny wpływ na własnoci mechaniczne blach w obu stanach. Jak wynika z tablicy 3 blacha wytworzona metod obróbki cieplno - mechanicznej ze wzgldu na bardziej drobnoziarnist struktur wykazuje wyranie wiksz granic plastycznoci i wytrzymało. Wiksza wytrzymało na rozciganie jest zwizana take z przemian niestabilnego mechanicznie austenitu szcztkowego w martenzyt, co powoduje dodatkowe umocnienie stali. wiadczy o tym korzystny stosunek R p,2 /R m =,65,68. Własnoci plastyczne blach chłodzonych w sposób kontrolowany po zakoczeniu odkształcenia plastycznego na gorco s równie lepsze ni blach hartowanych izotermicznie z temperatury nieco wyszej od A c1 stali. Wydłuenie całkowite osiga warto do 25% a równomierne 22%, podczas gdy dla blach obrobionych cieplnie wartoci te wynosz

6 14 J. Adamczyk, A. Grajcar odpowiednio 2 i 16%. Blachy wytworzone w obu wariantach charakteryzuj si izotropowymi własnociami wytrzymałociowymi i wykazuj mał anizotropi własnoci plastycznych. Jest ona wyraona przez stosunek odpowiednich własnoci próbek poprzecznych do wzdłunych, mieszczcym si w zakresie od,88 do,93. Ponadto blachy obrobione cieplno mechanicznie w porównaniu z hartowanymi izotermicznie wykazuj du warto iloczynu wytrzymałoci na rozciganie i wydłuenia równomiernego R m. A g, charakteryzujcego przydatno stali z efektem TRIP do tłoczenia. Tablica 3 Wyniki bada własnoci mechanicznych R. R p,2, MPa R m, MPa A, % A g, % Z, % R p,2 /R m A g, m MPa. % Wzdłune ,4 15,9 61,3, Obróbka Poprzeczne ,6 14,8 56,7, cieplna A P/W 1,2 1,1,91,93,92 Wzdłune ,7 19,3 74,5, Poprzeczne ,8 17,9 69,4, Obróbka cieplno - mechaniczna A P/W 1,2 1,1,88,93,93 4. WNIOSKI Opracowana stal konstrukcyjna z mikrododatkami Nb i Ti wykazuje du podatno na wytwarzanie blach o strukturze ferrytyczno - bainitycznej z austenitem szcztkowym, szczególnie metod obróbki cieplno - mechanicznej. Prawidłowy dobór warunków obróbki cieplno - mechanicznej, tj. zakresu temperatury obróbki plastycznej na gorco do rodzaju i stenia wprowadzonych do stali mikrododatków oraz szybkoci chłodzenia nie dopuszczajcej do zapocztkowania przemiany perlitycznej lecz pozwalajcej na utworzenie bainitu dolnego pozwala na wytworzenie blach o wybitnie drobnoziarnistej strukturze ferrytyczno bainitycznej z 5%-ym udziałem austenitu szcztkowego, osigajcych R p,2 ~ 51 MPa, R m ~ 78 MPa, A g ~ 19% oraz A do 25%. Bardziej gruboziarnista struktura ferrytyczno - bainityczna z 3%-ym udziałem austenitu szcztkowego blach zahartowanych izotermicznie z temperatury nieco wyszej od A c1 stali stanowi, e wykazuj one przy podobnym udziale ferrytu jak po obróbce cieplno - mechanicznej, mniejsze własnoci wytrzymałociowe oraz mniejsz podatno na odkształcenie technologiczne. LITERATURA 1. Stahl fur den Automobilbau, Stahlmarkt, (1998) Nr 12, s H. Baumgart, G. Deinzer, G.. Barton: Materiały Adam Opel AG, International Technical Development Center, Ruesselsheim (2), s Stahlindustrie bildet neues weltweites ULSAB-AVC Konsortium, Stahl u. Eisen, (1999) Nr 3, s T. Gladman: The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, Univ. Press Cambr., (1997). 5. J. Adamczyk: Inynieria wyrobów stalowych, Wyd. Politechniki lskiej, Gliwice (2). 6. Witryna http: // 7. V.F. Zackay, E.R. Parker, D. Fahr, R. Busch: ASM Trans. Quart., 6, (1967), s K. Eberle, P. Cantinieaux, P. Harlet, M. Vande Populiere: I&SM, 26, (1999) Nr 2, s K. Sugimoto, T. Iida, J. Sakaguchi, T. Kashima: ISIJ International, (2) Nr 9, s A. Pichler, P. Stiaszny: Steel Research, (1999) Nr 11, s. 459.