Odporno na pkanie korozyjne blach walcowanych metod obróbki cieplno-mechanicznej ze stali mikrostopowej do ulepszania cieplnego

Transkrypt

1 AMME 003 1th Odporno na pkanie korozyjne blach walcowanych metod obróbki cieplno-mechanicznej ze stali mikrostopowej do ulepszania cieplnego J. Adamczyk, W. Krukiewicz, M. Kremzer Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska Ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland W pracy zbadano wpływ napre w próbie zginania na mechanizm pkania korozyjnego w rodowisku utleniajcym blach ze stali mikroskopowej walcowanych metod obróbki cieplno-mechanicznej, hartowanych bezporednio z temperatury koca walcowania oraz po nastpnym odpuszczaniu w temperaturze 550 i 650ºC. Stwierdzono, e głównym mechanizmem pkania korozyjnego, zwłaszcza blach hartowanych bezporednio z temperatury koca walcowania jest pkanie wodorowe, propagujce wzdłu granic ziarn austenitu pierwotnego zdrowionego statycznie oraz zrekrystalizowanego. Odpuszczanie, zwłaszcza w temperaturze 650ºC nie powoduje pkania korozyjnego stali w temperaturze wrzenia 4n roztworu wodnego NH 4 NO 3, nawet przy napreniu wydatnie przekraczajcym granic plastycznoci. 1. WSTP Obróbka cieplno-mechaniczna, integrujca obróbk plastyczn na gorco z obróbk ciepln, jest ekonomicznym rozwizaniem produkcji wyrobów stalowych o wysokiej wytrzymałoci i odpornoci na pkanie. Szczególn podatnoci na realizacj tej technologii cechuj si drobnoziarniste stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego z mikrododatkami Nb, Ti i V w iloci do około 0,1%. Wymienione mikrododatki w prawidłowo dobranym zakresie temperatury obróbki plastycznej stali na gorco tworz dyspersyjne czstki faz midzywzłowych MX (M Nb, Ti i N, X N i C), ograniczajce rozrost ziarn austenitu zrekrystalizowanego. Wymagan hartowno stali drobnoziarnistych uzyskuje si przez wprowadzenie do 0,005% B przy racjonalnie dobranym steniu Cr, Ni i Mo [1]. Mikrododatki metaliczne oraz bor maj due powinowactwo do tlenu i azotu, a Ti take do siarki, przez co stal przed ich wprowadzeniem wymaga naleytego odtlenienia i odsiarczenia w procesie metalurgii wtórnej, łcznie z modyfikacj wtrce niemetalicznych i odgazowaniem próniowym kpieli metalowej. Ponadto, w celu przeciwdziałania tworzeniu si azotka BN do stali naley wprowadzi Ti w iloci niezbdnej do zwizania w niej azotu w TiN. Ciekł stal odlewa si systemem cigłym, a wlewki po zakrzepniciu, ciciu na okrelon długo i dogrzaniu w piecu przelotowym do właciwej temperatury poddaje si bezporednio walcowaniu. Proces walcowania prowadzi si w warunkach zapewniajcych przebieg pełnej rekrystalizacji austenitu odkształconego plastycznie w przerwach midzy kolejnymi przepustami oraz zastosowaniu wygrzewania izotermicznego blach w temperaturze koca walcowania przez czas potrzebny do utworzenia 50% frakcji zrekrystalizowanej fazy.

2 16 J. Adamczyk, W. Krukiewicz, M. Kremzer Drobnoziarnista struktura tej fazy zapewnia utworzenie drobnoziarnistych produktów przemiany austenitu podczas chłodzenia i decyduje o wysokich własnociach wytrzymałociowych i odpornoci na pkanie blach w stanie ulepszonym cieplnie, take w temperaturze obnionej []. Celem pracy jest zbadanie odpornoci na pkanie korozyjne przy rónych wartociach naprenia blach ze stali mikrostopowej do ulepszania cieplnego, walcowanych metod obróbki cieplno-mechanicznej w stanie bezporednio po hartowaniu oraz po nastpnym wysokim odpuszczaniu.. MATERIAŁ I METODYKA BADA Badania przeprowadzono na importowanej stali mikrostopowej do ulepszania cieplnego Weldox 900 o składzie chemicznym podanym w tablicy 1. Tablica 1. Skład chemiczny badanej stali Skład chemiczny, % wag. C Si Mn P S Cr Ni Mo V Ti Nb Al B Cu N 0,17 0,6 1,37 0,01 0,001 0,4 0,5 0,48 0,019 0,004 0,05 0,06 0,00 0,0 0,004 Stale Weldox s stosowane do produkcji blach grubych przeznaczonych do budowy silnie obcionych konstrukcji spawanych, zwłaszcza samojezdnych urawi i maszyn drogowych, pojazdów transportu cikiego i innych. Dostarczony odcinek blachy z tej stali o gruboci 40mm poddano walcowaniu na blach o grubo 15mm metod obróbki cieplnomechanicznej w zakresie temperatury od 1100 do 900ºC w kilku przepustach. Po zakoczeniu obróbki plastycznej blach wygrzewano w temperaturze koca walcowania przez czas potrzebny do utworzenia 50% frakcji austenitu zrekrystalizowanego i bezporednio hartowano w wodzie [3]. Badaniom odpornoci na pkanie korozyjne poddano próbki pobrane z blachy w stanie obrobionym cieplno-mechanicznie oraz po ich odpuszczaniu w temperaturze 550 i 650ºC. Badania odpornoci na pkanie korozyjne blach przeprowadzono metod stałego odkształcenia próbek w próbie zginania trójpunktowego w rodowisku utleniajcym, tj. we wrzcym 4n roztworze wodnym azotanu amonu NH 4 NO 3. Próbki płaskie o przekroju 15x3mm i długoci 100mm zostały pobrane z blach w kierunku walcowania. Odległo midzy podporami wynosiła 90mm. Podane naprenie realizowano przez zmian strzałki ugicia próbek po wpływem obcienia punktowego, działajcego symetrycznie wzgldem punktów podparcia próbki. Stosowano obcienia powodujce wystpienie w próbkach naprenia o wartoci 0,8; 1,0 i 1,4 R p0, Strzałk ugicia, przy której w próbce wystpuje załoone naprenie wyznaczono z zalenoci: f = σ l / 6 E h (1) gdzie: naprenie, l odległo midzy podporami próbki, E moduł sprystoci wzdłunej, h grubo próbki.

3 Odporno na pkanie korozyjne blach walcowanych Moduł sprystoci wzdłunej E wyznaczono metod statycznego zginania, a własnoci mechaniczne w próbie statycznego rozcigania próbek przy zastosowaniu maszyny wytrzymałociowej firmy Instron 1195 w zakresie obcienia do kn. Własnoci spryste i mechaniczne stali w badanych stanach zestawiono w tablicy. Tablica. Własnoci spryste i mechaniczne blach z badanej stali w rónych stanach Lp. Obróbka cieplna E, MPa R m, MPa R p0,, MPa A, % 1 3 Stan po obróbce cieplnomechanicznej Stan po obróbce cieplnomechanicznej i odpuszczaniu w - 550ºC/1h Stan po obróbce cieplnomechanicznej i odpuszczaniu w - 650ºC/1h, ,8, ,7, ,4 Badania struktury stali w rónych stanach oraz uszkodze w próbkach poddanych działaniu napre o rónej wartoci w rodowisku korozyjnym przeprowadzono na zgładach metalograficznych nietrawionych, w celu okrelenia udziału, wielkoci i morfologii wtrce niemetalicznych, oraz trawionych, umoliwiajcych ujawnienie granic ziarn austenitu pierwotnego przed hartowaniem blach oraz struktury stali w stanie zahartowanym i ulepszonym cieplnie. Trawienie zgładów w celu ujawnienia struktury pierwotnej austenitu przeprowadzono w temperaturze 70ºC w nasyconym roztworze wodnym kwasu pikrynoweg z dodatkiem CuCl, a struktury stali w 4% roztworze HNO 3 w alkoholu etylowym. Obserwacji struktury stali oraz uszkodze korozyjnych próbek dokonano przy zastosowaniu mikroskopu wietlnego Leica MEF4A. Ten sam mikroskop zastosowano do okrelenia udziału, wielkoci i morfologii wtrce niemetalicznych z wykorzystaniem komputerowego analizatora obrazu typu QWin. 3. WYNIKI BADA I ICH OMÓWIENIE Przeprowadzone badania wykazały, e odporno na pkanie korozyjne blach walcowanych metod obróbki cieplno-mechanicznej zaley istotnie od ich stanu strukturalnego oraz w mniejszym stopniu od wielkoci działajcych napre. Najwiksz wraliwoci na pkanie korozyjne w badanych warunkach wykazuj blachy zahartowane bezporednio z temperatury koca walcowania po uprzednim ich wytrzymaniu w tej temperaturze przez czas potrzebny do utworzenia 50% frakcji austenitu zrekrystalizowanego. Stal w tym stanie ma struktur austenitu zdrowionego statycznie o znacznym udziale płaskich granic ziarn oraz drobnych ziarn tej fazy rekrystalizowanych statycznie o duym udziale wypukłych granic ziarn (rys. 1). Jak wynika z tego rysunku ziarna zrekrystalizowane wzrastały od granic ziarn w głb ziarn zdrowionych statycznie. Skład chemiczny stali oraz niewielki udział drobnych wtrce niemetalicznych o postaci równoosiowej wskazuj na jej wykoczenie metalurgiczne w procesie kadziowym z zastosowaniem modyfikacji wtrce niemetalicznych wraz z odgazowaniem próniowym i cigłym odlewaniem wlewków. Udział powierzchniowy wtrce niemetalicznych wynosi 0,11%, maksymalna ich wielko 4,6m, a stosunek długoci do szerokoci 1,13.

4 18 J. Adamczyk, W. Krukiewicz, M. Kremzer Rys. 1. Struktura austenitu pierwotnego stali obrobionej cieplno-mechanicznie: ziarna due austenit zdrowiony statycznie, ziarna drobne o wypukłych granicach zrekrystalizowane statycznie. Oddziaływanie rodowiska korozyjnego rozpoczyna si od absorpcji jego atomów przez powierzchni metaliczn i wytworzenia na niej pasywnej warstwy ochronnej [4]. Uszkodzenia tej warstwy s przyczyn tworzenia si na powierzchni metalu mikroobszarów korozyjnych, a w nich lokalnych ogniw korozyjnych. Funkcj katody w tych ogniwach spełnia uszkodzona warstwa pasywna, a anody odsłonity metal. W obecnoci roztworu azotanu amonu w wodzie destylowanej, spełniajcego funkcj elektrolitu zachodzi reakcja katodowa [4, 5]: oraz reakcja anodowa: e + H O H + OH () H + e + O O + 4H 4 _ (3) Tworzce si w tej reakcji jony wodoru w otoczeniu wierzchołka rozwijajcego si mikropknicia dyfunduj w głb stali i gromadz si na granicach ziarn, gdzie nastpuje ich rekombinacja do postaci czsteczkowej H zgodnie z reakcj: + H + e H H + Q (4) Wydzielajce si w tej reakcji ciepło Q powoduje wydatny wzrost cinienia tworzcego si gazu, które sumujc si z działajcym w próbkach napreniem prowadzi do dekohezji stali wzdłu granic ziarn. Rozwój tego procesu ułatwiaj granice ziarn austenitu o duej dyfuzyjnoci, zwłaszcza zrekrystalizowanego statycznie oraz wytworzone w przygranicznych obszarach ziarn naprenia i defekty zwizane z przemian martenzytyczn. Model pkania wodorowego stali w tym stanie potwierdza dua prdko rozwoju pkni rozgałzionych wzdłu granic ziarn austenitu pierwotnego zdrowionego statycznie oraz zrekrystalizowanego, zarówno pod działaniem napre o wartoci mniejszej, jak i wikszej od granicy plastycznoci (rys. ). Na korzy tego modelu przemawia take fakt, e propagacja pkni zachodzi przy napreniu mniejszym od granicy plastycznoci, a dua twardo stali utrudnia rozwieranie pkni i niszczenie warstwy pasywnej w otoczeniu jego wierzchołka przez odkształcenie plastyczne, jak to ma miejsce w klasycznym modelu procesu korozji napreniowej.

5 Odporno na p kanie korozyjne blach walcowanych... a. 19 b. c. d. Rys.. P kni cia korozyjne w stali obrobionej cieplno-mechnicznie: a i b pod działaniem napr enia o warto ci 0,8Rp0,, c i d pod działaniem napr enia o warto ci 1,4Rp0, Odpuszczanie blach w temperaturze 550ºC ogranicza rozwój p kni korozyjnych przy napr eniu mniejszym i równym granicy plastyczno ci stali w wyniku relaksacji napr e spowodowanej przebiegiem procesów dyfuzyjnych po granicach ziarn. P kni cia korozyjne w tym stanie stali ujawniono jedynie przy napr eniu przekraczaj cym znacznie granic plastyczno ci (rys. 3), prawdopodobnie w skutek tworzenia si mikrop kni w spi trzeniach dyslokacji przed granicami ziarn. Rys. 3. P kni cia korozyjne w stali odpuszczonej po obróbce cieplnomechnicznej w temp. 550ºC utworzone pod działaniem napr enia o warto ci 1,4Rp0, Podwy szenie temperatury odpuszczania blach do 650ºC nie dopuszcza do rozwoju p kni korozyjnych. W tych warunkach badania na powierzchni próbek ujawniono tylko nieliczne w ery korozyjne (rys. 4).

6 0 J. Adamczyk, W. Krukiewicz, M. Kremzer Rys. 4. Wer korozyjny w stali odpuszczonej po obróbce cieplnomechnicznej w temp. 650ºC, utworzony w warunkach działania naprenia o wartoci 1,4R p0, 4. WNIOSKI Analiza wyników przeprowadzonych bada pozwoliła na sformułowanie nastpujcych stwierdze: - pkanie korozyjne badanej stali pod obcieniem w temperaturze wrzenia 4n roztworu wodnego NH 4 NO 3 nastpuje z udziałem jonów H + tworzcych si w reakcji anodowej, dyfundujcych do granic ziarn austenitu pierwotnego, gdzie nastpuje ich rekombinacja do H z wydzieleniem ciepła, powodujcego wzrost cinienia tworzcego si gazu i dekohezj metalu wzdłu granic ziarn, - najwiksz skłonno do pkania wodorowego, nawet przy napreniu znacznie mniejszym od granicy plastycznoci, wykazuje stal obrobiona cieplno-mechanicznie zahartowana po uprzednim wygrzaniu w temperaturze koca walcowania przez czas potrzebny do utworzenia 50% frakcji austenitu zrekrystalizowanego, cechujca si du dyfuzyjnoci granic ziarn austenitu zdrowionego statycznie i zrekrystalizowanego oraz wystpujcymi w przygranicznych obszarach ziarn napreniami i defektami zwizanymi z przemian martenzytyczn, - zachodzca podczas odpuszczania relaksacja napre z udziałem dyfuzji wzdłu granic ziarn austenitu pierwotnego polepsza wydatnie odporno stali na pkanie wodorowe, zwłaszcza po wysokim odpuszczaniu w temperaturze 650ºC. LITERATURA 1. Gladman A., The Physical Metallurgy of microalloyed steels, Univ. Press, Cambrige, Adamczyk J., Inynieria Wyrobów Stalowych, Wyd. Politechniki lskiej, Gliwice, Adamczyk J., Opiela M., Inynieria materiałowa, nr 6 (000) s.717; Journal of Materials Processing Technology (w druku). 4. Flis J., Ochrona przed korozj nr 10 (1994), s Pauling L., Pauling P., Chemia, PWN, Warszawa, 1997.