Obróbka cieplno-mechaniczna blach ze stali konstrukcyjnej mikrostopowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej*

Transkrypt

1 AMME 22 11th Obróbka cieplno-mechaniczna blach ze stali konstrukcyjnej mikrostopowej o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej* 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 dokonano porównania własnoci mechanicznych blach o strukturze ferrytycznomartenzytycznej ze stali konstrukcyjnej C-Mn z mikrododatkami Nb i Ti wytworzonych energooszczdn technologi obróbki cieplno-mechanicznej oraz po konwencjonalnym hartowaniu z temperatury nieco wyszej od A c1. Warunki obróbki cieplno-mechanicznej dobrano na podstawie opracowanego wykresu przemian austenitu przechłodzonego odkształconego plastycznie OCTP c. Stwierdzono, e blacha wytworzona t metod wykazuje bardziej drobnoziarnist struktur oraz korzystniejsze własnoci mechaniczne ni po konwencjonalnym hartowaniu z zakresu dwufazowego α + γ. 1. WSTP Potrzeby przemysłu samochodowego decyduj o intensywnych poszukiwaniach nowych materiałów konstrukcyjnych do produkcji blach o wysokiej wytrzymałoci i dobrej podatnoci na kształtowanie w rónych procesach obróbki plastycznej, pozwalajcych na zmniejszenie masy pojazdu i racjonalne zuycie paliwa. Zainteresowanie wzbudzaj take stopy na osnowie Al i Mg oraz tworzywa polimerowe, lecz nadal ok. 63% masy samochodu stanowi elementy konstrukcyjne kształtowane z blach stalowych [1]. Szczególne zainteresowanie przemysłu samochodowego wzbudzaj stale konstrukcyjne mikrostopowe, które przy zastosowaniu właciwych technologii hutniczych pozwalaj na wytwarzanie wyrobów o drobnoziarnistej strukturze, zapewniajcej wysok wytrzymało i podan podatno na kształtowanie technologiczne metodami tłoczenia, gicia i innymi. Stale tej grupy zawierajce mikrododatki Nb, Ti i V w iloci do ok.,1%, a niekiedy take N i B wymagaj starannie prowadzonego procesu wytapiania z zastosowaniem metalurgii wtórnej i odlewania w atmosferze ochronnej oraz przetwórstwa hutniczego w zakresie temperatury wydzielania si w austenicie odkształcanym plastycznie azotków, wglikoazotków i wglików wprowadzonych do stali mikrododatków [2, 3]. Dyspersyjne czstki tych faz ograniczaj rozrost ziarn austenitu zrekrystalizowanego w przerwach midzy kolejnymi etapami odkształcenia plastycznego stali na gorco, np. podczas walcowania * Praca finansowana przez Komitet Bada Naukowych w ramach grantu promotorskiego nr 7 T8A 16 2.

2 2 J. Adamczyk, A. Grajcar wieloprzepustowego. Austenit drobnoziarnisty chłodzony z naleyt szybkoci z właciwie dobranej temperatury koca obróbki plastycznej ulega przemianie w drobnoziarniste produkty przemiany, zapewniajce podane własnoci uytkowe wyrobów. Współczenie przemysł samochodowy stosuje powszechnie wytwarzane ze stali mikrostopowych blachy walcowane na gorco w integracji z cigłym odlewaniem wlewków oraz przyspieszonym chłodzeniem wyrobu po walcowaniu i zwijaniem w krgi [4], blachy cienkie walcowane na zimno - umacniane podczas wypalania lakieru przez starzenie zgniotowe (bake hardening effect) [5, 6] oraz typu IF (interstitial free) o duej podatnoci na głbokie tłoczenie [7, 8], a take o strukturze ferrytyczno martenzytycznej (dual phase) uzyskiwane przez hartowanie blach z zakresu temperatury γ + α lub coraz powszechniej metod obróbki cieplno-mechanicznej, integrujcej obróbk plastyczn stali na gorco z obróbk ciepln [9, 1]. Skład chemiczny oraz własnoci mechaniczne tych blach podano w pracy [3]. Zainteresowanie wzbudzaj take stale typu TRIP (Transformation Induced Plasticity) o strukturze ferrytyczno-bainitycznej z austenitem szcztkowym, umacniane w procesie kształtowania technologicznego wyrobów w wyniku przemiany martenzytycznej tej fazy [11], stale CP (complex phase) o kompleksowej strukturze wielofazowej oraz stale martenzytyczne TMS o wysokiej wytrzymałoci [12]. Celem pracy jest porównanie struktury i własnoci mechanicznych blach typu dual phase obrobionych cieplnie i wytworzonych metod obróbki cieplno-mechanicznej. 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. Wlewki po zakrzepnieciu, obciciu głowy i stopy oraz właciwym przygotowaniu powierzchni poddano kuciu swobodnemu na szybkobienej prasie hydraulicznej oraz wstpnemu walcowaniu na gorco na płaskowniki o wymiarach 16x12x11 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 W celu okrelenia warunków obróbki cieplno-mechanicznej stali opracowano wykres przemian austenitu przechłodzonego OCTP c - odkształconego plastycznie w temperaturze nieco niszej od temperatury rekrystalizacji tej fazy. Temperatura rekrystalizacji austenitu odkształconego plastycznie badanej stali obliczona z zalenoci [11]: T Rγ = C + (6445Nb-644Nb 1/2 ) + (732V-23V 1/2 ) + 89Ti + 363Al-357Si (1) wynosi 886 C, natomiast wyznaczone dylatometrycznie temperatury przemian fazowych stali maj wartoci: A c1 = 725 C, A c3 = 864 C i M s = 412 C. Temperatury przemian fazowych stali oraz wykres kinetyki przemian fazowych OCTP c wyznaczono przy zastosowaniu dylatometru DIL 85 firmy Baehr Thermoanalyse GmbH. Próbki o rednicy 5 mm i długoci 1 mm po austenityzowaniu w temperaturze 875 C, nieco wyszej od A c3

3 Analiza efektywnoci procesów technologicznych 3 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 4 Zawarto Ti, [%wag.] stali, lecz niszej od temperatury rekrystalizacji austenitu T Rγ (1) odkształcano plastycznie w dylatometrze przez ciskanie z szybkoci ε = 4s 1 do odkształcenia 5% i chłodzono z szybkoci od 9 do,17 C/s. Zakres temperatury walcowania płaskowników o gruboci 11 mm na blach o gruboci 4 mm dobrano na podstawie kinetyki rozpuszczania si w austenicie odkształconym plastycznie azotków TiN i wglików NbC wprowadzonych do stali mikrododatków Ti i Nb, korzystajc z równania kinetycznego [3]: rednica ziarna austenitu, [µm] Temperatura austenityzowania, [ C] Rys. 2. Wpływ temperatury austenityzowania na wielko ziarna austenitu pierwotnego log [M][X] = B - A/T (2) 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 [3]. Obliczone zalenoci rozpuszczania si w austenicie faz TiN i NbC przedstawione na rys. 1 wskazuj, e całkowite rozpuszczenie w austenicie wprowadzonego do stali mikrododatku Nb nastepuje w temperaturze około 11 C, natomiast udział Ti rozpuszczonego w 1275 C wynosi zaledwie,2%. Oznacza to, e górna temperatura walcowania płaskowników nie powinna przekracza 15 C, a dolna odpowiada całkowitemu zwizaniu tych mikrododatków w TiN i NbC, co nastpuje odpowiednio w temperaturze 175 i 925 C. W pracy przyjto temperatur koca walcowania 875 C w celu wytworzenia w austenicie zdrowionym dynamicznie duej populacji miejsc dogodnych do zarodkowania ferrytu, tj. na granicach ziarn, pasmach odkształcenia oraz przecinajcych si pasmach polizgu. Poprawno przyjtego zakresu temperatury walcowania potwierdzono na podstawie bada wpływu temperatury austenityzowania próbek z zakresu 875 do 115 C na wielko ziarn austenitu pierwotnego (rys. 2). Jak wynika z tego rysunku wyrany rozrost ziarn tej fazy zaczyna si po przekroczeniu temperatury 15 C. Na podstawie wymienionych danych opracowano program walcowania odcinków próbnych na blach w czterech przepustach (tablica 2). W pierwszych dwóch przepustach stosowano 25%, a w pozostałych 2% stopie gniotu.

4 4 J. Adamczyk, A. Grajcar Tablica 2 Program walcowania odcinków próbnych blachy Nr Temperatura Grubo przed Grubo po Gniot wzgldny, [%] przepustu odkształcenia, [ C] przepustem, [mm] przepucie, [mm] , 8, ,2 6, ,2 5, , 4, 2 Temperatura, [ C] Czas, [s] Rys. 3. Wykres OCTP c badanej stali z schematem przeprowadzonej obróbki cieplno-mechanicznej Warunki chłodzenia blachy z temperatury koca walcowania ustalono na podstawie opracowanego wykresu kinetyki przemian austenitu przechłodzonego po odkształceniu plastycznym (rys. 3). Blachy chłodzono pocztkowo w spronym powietrzu do temperatury około 6 C w celu realizacji przemiany γ α przez 3s, nie dopuszczajc do zapocztkowania przemiany perlitycznej, a nastpnie w wodzie. Klasyczn obróbk ciepln przeprowadzono przez austenityzowanie blach w temperaturze 75 C, nieco wyszej od A c1 stali i ich hartowanie w wodzie. Badania struktury blach przeprowadzono metod metalografii wietlnej na zgładach polerowanych i trawionych, przy czym dla ujawnienia granic ziarn austenitu pierwotnego stosowano trawienie w nasyconym roztworze wodnym kwasu pikrynowego z dodatkiem CuCl 2 w 1 temperaturze ok. 7 C. Pomiaru wielkoci ziarna austenitu pierwotnego, a A c3 = 864 C take wielkoci ziarna ferrytu po obróbce 8 A c1 = 725 C cieplno-mechanicznej i udziału F powierzchniowego ferrytu dokonano 6 P przy pomocy automatycznego B analizatora obrazu Leica Qwin 4 współpracujcego z mikroskopem M wietlnym Leica MEF 4A ,42,17 C/s Natomiast własnoci mechaniczne blach w stanie obrobionym cieplnomechanicznie oraz po hartowaniu konwencjonalnym wyznaczono metod statycznej próby rozcigania próbek płaskich o gruboci 4 mm i długoci pomiarowej 5 mm na maszynie wytrzymałociowej Zwick Z/1. 3. WYNIKI BADA Przeprowadzone badania wykazały, e stal posiada drobnoziarnist struktur austenitu pierwotnego do temperatury ok. 15 C, po czym nastpuje stopniowy rozrost ziarna zwizany z rozpuszczaniem si czstek NbC i TiN w roztworze stałym. Wielko ziarna austenitu w temperaturze koca walcowania wynosi około 7 µm. Struktura blach wytworzonych metod obróki cieplno-mechanicznej oraz w stanie zahartowanym z temperatury 75 C, tj. z zakresu dwufazowego α + γ wykazuje istotne rónice

5 Analiza efektywnoci procesów technologicznych 5 (rys. 4 i 5). Wprawdzie udział ferrytu w obu stanach blach jest porównywalny i wynosi, około 45%, lecz wielko ziarn tej fazy wytworzonej w procesie obróbki cieplno-mechanicznej jest nadzwyczaj mała i wynosi rednio 4 µm, podczas gdy w stali zahartowanej z temperatury nieco wyszej od A c1 osiga wielko 8,7 µm. Silne rozdrobnienie ziarn ferrytu w stali obrobionej cieplno-mechanicznie jest wynikiem obecnoci duej populacji miejsc dogodnych do zarodkowania ferrytu w austenicie odkształconym plastycznie. Wybitnie drobnoziarnist budow ma równie martenzyt z niewielkim udziałem bainitu w stali obrobionej cieplno-mechanicznie. Jest to wynikiem rozdrobnienia ziarn austenitu przez prawie równomiernie rozmieszczone w osnowie tej fazy drobne ziarna ferrytu (rys. 4). Obecno pewnego udziału bainitu w strukturze stali w tym stanie wynika z przyspieszenia zarówno przemiany γ α, jak i bainitycznej austenitu odkształconego plastycznie (rys. 3). Natomiast pozostał składow struktury stali zahartowanej z temperatury 75 C jest martenzyt (rys. 5). Rys. 4. Drobnoziarnista struktura ferrytycznomartenzytyczno-bainityczna blach po obróbce cieplno-mechanicznej Rys. 5. Struktura ferrytyczno-martenzytyczna blach po hartowaniu z zakresu dwufazowego α+γ 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 wytrzymałoci. Natomiast własnoci plastyczne blach w obu stanach s porównywalne. Badane stale cechuje take bardzo korzystny współczynnik R p,2 /R m =,5-,56. Tablica 3 Wyniki bada własnoci mechanicznych Wariant obróbki R p,2, MPa R m, MPa A, % Z, % R p,2 /R m Obróbka cieplnomechaniczna ,3 24,6,56 Obróbka cieplna ,5 27,3,5

6 6 J. Adamczyk, A. Grajcar 4. WNIOSKI Opracowana stal mikrostopowa wykazuje du podatno na wytwarzanie blach o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej (dual phase) zarówno metod obróbki cieplno-mechanicznej, jak i przez klasyczne hartowanie z temperatury nieco wyszej od A c1 stali. Prawidłowy dobór warunków obróbki cieplno-mechanicznej, tj. zakresu temperatury walcowania do rodzaju i stenia wprowadzonych do stali mikrododatków oraz szybkoci chłodzenia nie dopuszczajcej do zapocztkowania przemiany perlitycznej, pozwala na wytworzenie blach o wybitnie drobnoziarnistej strukturze ferrytyczno-martenzytyczno-bainitycznej osigajcych R p,2 > 53 MPa, R m > 95 MPa, A ~ 14%, Z ~ 25%. Bardziej gruboziarnista struktura ferrytyczno-martenzytyczna blach zahartowanych z temperatury nieco wyszej od A c1 stali stanowi, e wykazuj one przy tym samym udziale ferrytu jak po obróbce cieplno-mechanicznej, znacznie mniejsze własnoci wytrzymałociowe przy porównywalnej podatnoci na odkształcenie plastyczne. LITERATURA 1. H. Baumgart, G. Deinzer, G. Barton: Materiały Adam Opel AG, International Technical Development Center, Ruesselsheim (2), s T. Gladman: The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, Univ. Press Cambridge, (1997). 3. J. Adamczyk: Inynieria wyrobów stalowych, Wyd. Politechniki lskiej, Gliwice (2). 4. P. J. P. Bordignon: Sider Latinosmer, 315, (1986), s P. Elsen, H. P. Hougardy: Stahl u. Eisen, 113, (1993) Nr 1, s A. Chatterjee, S. Chandra: Steel World, 3, (1997) Nr 2, s W. Bleck, R. Bode, F. J. Hahn: Thyssen Tech. Ber., (199) Nr 1, s H. Takechi: ISIJ International, 34, (1994) Nr 1, s W. Bleck, K. Koehler, L. Meyer, C. Preisendanz: Thyssen Tech. Ber., 23 (1991) Nr 1, s Proc of Seminar: Dual Phase and Cold Pressing Vanadium Steels in Automobile Industry, VANITEC, (1978), London EC1N 2NE. 11. K. Eberle, P. Cantinieaux, P. Harlet, M. Vande Populiere: I&SM, 26, (1999) Nr 2, s Stahl fur den Automobilbau, Stahlmarkt, (1998) Nr 12, s. 38.