Mikrostruktura i właściwości mechaniczne wysokostopowych stali Mn-Al typu duplex

Transkrypt

1 2011 r. HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 641 Dr inż. stanisław lalik Dr inż. DAriusz KuC Dr hab. inż. grzegorz niewielski, prof. nzw. w pol. Śl. Dr inż. JAnusz CEbulsKi Politechnika Śląska, ul Krasińskiego 8, Katowice stanislaw.lalik@polsl.pl Mikrostruktura i właściwości mechaniczne wysokostopowych stali Mn-Al typu duplex Microstructure and mechanical properties of high-alloyed Mn-Al steels duplex type W ostatnich latach ośrodki badawcze w kraju i na świecie koncentrują swoje prace badawcze w obszarze rozwoju wysokomanganowych stali przeznaczonych dla przemysłu motoryzacyjnego. Stale te charakteryzują się możliwością absorpcji energii podczas zderzenia. Materiały te mogą w przyszłości zastąpić stosowane obecnie konwencjonalne stale. Grupą stali, która spełnia to kryterium, są stale austenityczne i austenityczno-ferrytyczne o wysokiej zawartości manganu (15 30 %) oraz aluminium (3 9 %) i/lub Si (1 6 %).W pracy analizowano wpływ składu chemicznego na właściwości mechaniczne stali o wysokiej koncentracji węgla, manganu i aluminium. Oceniano ponadto podatność tych stali do przeróbki plastycznej na gorąco w testach plastometrycznych. Przeprowadzone badania umożliwiły optymalizację składu chemicznego stali dwufazowych i wytworzenie stali o korzystnej relacji wytrzymałości do ciągliwości. Recently, research centres home and abroad have focused their work on the development of high-manganese steels used in automotive industry. These steels are characterized by the energy absorption possibilities during a collision. Such materials may, in the future, replace the currently used conventional steels. The groups of steels which meet these criteria are the austenitic steels and austeniticferritic steels with high manganese content (15 30 %) and high aluminium content (1 6 %). The influence of the chemical composition on the mechanical properties of steel with high carbon, manganese and aluminium concentration was analyzed in this paper. Moreover, the susceptibility of those steels to hot deformation was assessed in plastometric tests. Słowa kluczowe: stal wysokomanganowa, mikrostruktura, plastyczność, właściwości mechaniczne Key words: high manganese steel, microstructure, plasticity, mechanical properties Wprowadzenie. Zastosowanie w przemyśle samochodowym nowych, wysoko wytrzymałych stali o dużej odkształcalności prowadzi do wyraźnego zmniejszenia masy samochodu. Obserwuje się jednoczesną poprawę bezpieczeństwa podczas zderzenia dzięki wysokiej absorpcji energii elementów wykonanych z tych stali. Wysokomanganowe austenityczne stale, będące aktualnie obiektem zainteresowań ośrodków badawczych, charakteryzują się szczególnie wysoką odkształcalnością i znaczną wytrzymałością. Również zdolność do pochłaniania energii jest w tym przypadku znacznie większa niż stali konwencjonalnych. Stale manganowe, należą do klasy stali wysokomanganowych opracowanych w roku 1882 przez R. Hadfielda. Optymalna zawartość manganu w tych stalach wynosi około % mas., a zawartość węgla i innych pierwiastków w sumie nie przekracza 0,003 0,6 % mas. [1 4]. Na przeszkodzie szerszego wykorzystania stali wysokomanganowych stoją trudności związane z procesami ich wytwarzania i przetwarzania. Tablica 1. Skład chemiczny wytopów laboratoryjnych badanych stali, % masy Table 1. Chemical composition of laboratory melts of tested steels, % of mass Wytop C Mn Al Si 1. 0,18 28,8 9,09 0, ,31 23,1 7,33 0, ,47 24,0 9,11 0, ,46 28,2 8,66 0, ,60 29,5 8,99 0,35

2 S. 642 HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 8 Materiał i metodyka badań. W pierwszym etapie badano pięć wytopów laboratoryjnych o zróżnicowanej relacji C Mn Al. Skład chemiczny dobrano z założeniem dwufazowej austenityczno- -ferrytycznej mikrostruktury. Skład chemiczny laboratoryjnych wytopów badanych stali przedstawiono w tabl. 1. Proces kucia na gorąco realizowano na młocie w zakresie temperatury C stosując gnioty od 10 do 15 %. W celu oceny podatności stali do przeróbki plastycznej wykonano test SICO (Strain Induced Crack Opening). Test SICO polega nagrzaniu środkowego obszaru próbki o przekroju kołowym i wymiarach 10 86,4 mm do założonej temperatury, a następnie odkształceniu poprzez ściskanie. Podczas ściskania obszar środkowy podlega bardzo intensywnemu płynięciu plastycznemu. Po osiągnięciu pewnego granicznego odkształcenia może rozpocząć się inicjowanie pęknięć. Test wykonano w temperaturze od 800 do 1100 C, przy stosowaniu maksymalnego przemieszczenia narzędzia 15 mm z szybkością 50 mm/s. Dla próbek po kuciu przeprowadzono statyczną próbę rozciągania i próbę udarności na próbkach z karbem V. W stanie po odlewaniu i kuciu na gorąco stale poddano badaniom mikrostruktury oraz określono relację poszczególnych faz z wykorzystaniem metod metaloa) b) Rys.1. Mikrostruktura wytopów laboratoryjnych nr 1 (a) i nr 4 (b) po odlewaniu Fig.1. Microstructure of laboratory melt no. 3 (a) and no. 5 (b) steel after casting Siła [N] C 900 C 1000 C 1100 C Odkształcenie e Rys. 2. Zarejestrowana siła w funkcji temperatury i odkształcenia dla próbek poddanych testowi SICO z wytopu nr 5 Fig. 2. The force registered in temperature function and strain for samples after SICO test from melt no. 5 Tablica 2. Skład fazowy i właściwości mechaniczne badanych stali po kuciu na gorąco Table 2. Phase composition and mechanical properties of tested steels after hot forging Wytop A A % ferrytu R 0.2 % KCV J/cm Rozwój tej grupy stali, wdrożenie do produkcji przemysłowej i zastosowanie w charakterze materiałów konstrukcyjnych jest uwarunkowane poprawą ich plastyczności w temperaturze pokojowej i przeróbki plastycznej na gorąco. Poprzez odpowiedni dobór składu chemicznego, modyfikację mikrostruktury wyjściowej, rozdrobnienie ziarna oraz zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplno-plastycznej można otrzymać optymalne połączenie właściwości wytrzymałościowych i plastycznych [1 4]. W artykule zaprezentowano wyniki badań mikrostruktury i właściwości mechanicznych stali Mn Al odznaczających się dwufazową mikrostrukturą austenityczno-ferrytyczną, zawierających do 0,6 % węgla, 30 % manganu i 9 % aluminium. Przedstawiono wyniki badań podatności do kształtowania plastycznego tych stali w testach SICO.

3 2011 r. HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 643 Wyniki badań. Odlewy z wykonanych wytopów w stanie wyjściowym odznaczają się dendrytyczną mikrostrukturą ferrytyczno austenityczną (rys.1a) oraz dendrytyczną mikrostrukturą austenia) b) Rys. 3. Widok próbek po odkształceniu w teście SICO: a) temperatura odkształcenia 1000 C, b) temperatura odkształcenia 800 C Fig. 3. View of samples after strain in SICO test: a) deformation at 1000 C, b) deformation at 800 C A F A F a) b) Rys. 4. Mikrostruktura stali po kuciu i wyżarzaniu w temperaturze 900 C z czasem wytrzymania 60 minut (a) nr 1, (b) nr 4 Fig. 4. Microstructure of steels after forging and annealing in temperature of 900 C for 60 minutes (a) nr 1, (b) nr 4 grafii ilościowej w programie Metilo. W drugim etapie, technologię wytworzenia stali wysokomanganowej o składzie chemicznym wytopu nr 5, opracowano dla procesu wytapiania i odlewania w próżniowym piecu indukcyjnym VSG-50 firmy Balzers. Dla ujednorodnienia składu chemicznego stosowano dodatkowy przetop. Stosowano dodatek miszmetalu (cer-lantan-neodym) w ilości 1g/kg metalu. Stal odlewano do form piaskowych o zbieżności 4 w celu maksymalnego wyeliminowania wad odlewniczych. Wymiary wlewków wynosiły: średnica u dołu wlewka 30 mm, średnica głowy wlewka 45 mm, wysokość z nadstawką 400 mm. Wlewki walcowano na gorąco na pręty o średnicy 15 mm na walcarce duo w TU Bergakademie we Freibergu. Przed odkształceniem wlewki wygrzewano w temperaturze 1150 C przez 2 godziny. Następnie prowadzono walcowanie w wykrojach w ośmiu przepustach. Temperatura końca walcowania wynosiła C. Tablica 3. Właściwości mechaniczne badanych stali po walcowaniu na gorąco Table 3. Mechanical properties of tested steels after hot rolling Stal X50MnAl24-9 (nr 3) X60MnAl30-9 (nr 5) R 0.2 % KCV J/cm X50MnAl

4 S. 644 HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 8 tyczno-ferrytyczną (rys.1b) o zróżnicowanej ilości ferrytu. Próbki stali oznaczone numerem wytopu 3 i 5 w stanie po odlewaniu poddano testowi SICO według opisanej metodyki. Wykres zależności zarejestrowanej siły w funkcji odkształcenia dla stali oznaczonej numerem 5 (tabl. 1) pokazano na rys. 2. Stwierdzono intensywne zmniejszenie działającej siły wraz z podwyższeniem temperatury próby. Dla zadanych temperatur siła początkowo rośnie, a dla odkształcenia ε około 2 jest prawie stała, co świadczy o stabilnym płynięciu metalu. Wygląd powierzchni zewnętrznej próbek po teście wskazuje na dobrą odkształcalność stali w temperaturze od 900 do 1100 C (rys. 3a). Nieznaczne pęknięcia na powierzchni bocznej stwierdzono po odkształcaniu w temperaturze 800 C (rys. 3b). Przeprowadzone próby kucia potwierdziły wyniki uzyskane w przeprowadzonych testach SICO. Stwierdzono dobrą podatność do kształtowania plastycznego badanych stali w temperaturze Naprężenie s [] ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Odkształcenie e Rys. 5. Charakterystyka plastyczności badanych stali po ściskaniu w zakresie temperatury 900 C z prędkością odkształcenia 1 s -1 Fig.5. Characteristic of plasticity of investigated steels after deformation at 900 C with a strain of 1 s stal 1 stal 2 stal 3 stal 4 stal C. Obniżenie temperatury poniżej 850 C spowodowało inicjację pęknięć na powierzchni odkuwek. Przykładowe mikrostruktury badanych stali po kuciu pokazano na rys 4a i 4b. Zmierzony udział fazy ferrytycznej w mikrostrukturze zamieszczono w tablicy 2. Próbki badanych stali miały strukturę austenityczno-ferrytyczną ze zróżnicowaną zawartością tych składników. Wykazano, że zachodzące podczas kucia procesy usunęły dendrytyczną strukturę pierwotną. Uzyskano równomierne rozmieszczenie wysp ferrytu w osnowie austenitu lub odwrotnie w przypadku wytopu numer 1. Właściwości mechaniczne badanych stali wyznaczone w statycznej próbie rozciągania, udarności oraz wyniki pomiarów twardości pokazano w tabl. 2. Najwyższe właściwości wytrzymałościowe = 920 wykazała stal oznaczona numerem 3. Stal oznaczona numerem 5 odznaczała się nieco mniejszą wytrzymałością na rozciąganie ( = 860 ), charakteryzowała się jednak wyższym wydłużeniem do zerwania ( = 35 %). Badane stale oznaczone numerami 1 i 2 mają niższe właściwości wytrzymałościowe = i wydłużenie od 15 do 20 %. Przykładowe charakterystyki plastyczności badanych stali w warunkach jednoosiowego ściskania w temperaturze 900 C przedstawiono na rys. 5. Uzyskane charakterystyki wykazały wzrost oporu płynięcia ze zmniejszeniem zawartości ferrytu w mikrostrukturze. Najniższy poziom naprężenia zaobserwowano w mikrostrukturze stali 1 o najwyższej zawartości ferrytu. Dla próbek badanych stali po przekroczeniu maksimum na krzywej płynięcia zaobserwowano charakterystyczne zmniejszenie naprężenia, związane z procesem rekrystalizacji dynamicznej austenitu. Efekt ten zmniejsza się wraz ze wzrostem ilości ferrytu w mikrostrukturze, czyli rosnącą skłonnością do zdrowienia dynamicznego. Na podstawie uzyskanych wyników badań z wytopów laboratoryjnych do dalszych badań wy- a) b) Rys. 6. Austenityczno-ferrytyczna mikrostruktura stali X65MnAl30-9 po walcowaniu i wyżarzaniu w temperaturze 1100 C, a) przekrój poprzeczny, b) przekrój wzdłużny Fig. 6. Microstructure of X60MnAl30-9 steel after rolling and annealing at 1100 C, a) transverse section, b) longitudinal section

5 2011 r. HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 645 typowano stale odznaczone numerem 3 i 5. Stal X60MnAl30-9 miała zbliżony skład chemiczny do stali przedstawionej w pracy [5]. Właściwości mechaniczne zmierzone na prętach walcowanych z wlewków f 45 mm otrzymanych w drugim etapie, wskazują na dalszą poprawę właściwości mechanicznych (tabl. 3). Wynikały one przede wszystkim z zastosowania większego stopnia przerobu plastycznego. Na rys. 6 pokazano mikrostrukturę próbek stali X60MnAl30-9 na przekroju wzdłużnym (a) i poprzecznym (b), po walcowaniu. Ferryt na przekroju wzdłużnym stali dwufazowych układa się w charakterystyczne pakiety. Najwyższą wytrzymałość wykazała stal X50MnAl24-9 ( =1050 ), jednak przy mniejszym od pozostałych stali wydłużeniu ( = 25 %). Dla porównania w tablicy 3 zamieszczono ponadto wyniki badań właściwości mechanicznych dla stali austenitycznej typu X50MnAl25-5, wykonanej w ten sam sposób, dla której szczegółowe wyniki zaprezentowano w pracy [6]. Podsumowanie. W artykule przedstawiono wyniki prowadzonych prac dotyczących badań nad stalami wysokomanganowymi i ich potencjalnymi możliwościami zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym. Od tego typu stali wymaga się przede wszystkim korzystnej relacji właściwości wytrzymałościowych do plastycznych. Opracowano technologię wytapiania, rafinacji i odlewania tej grupy stali. Wykazano dobrą podatność tych stali do przeróbki plastycznej na gorąco, a więc możliwości uzyskania elementów konstrukcyjnych pojazdu związanych z bezpieczeństwem. Przeprowadzone na symulatorze testy odkształcalności SICO oraz próby kucia pokazują dobrą podatność badanych stali do przeróbki plastycznej na gorąco w zakresie temperatury C. Przedstawione wyniki wpływu składu chemicznego na właściwości mechaniczne stali wysokomanganowych wskazują, że istotne znaczenie ma przede wszystkim zawartość węgla oraz aluminium (tabl. 1). Wzrost stężenia tych składników wpływa na podwyższenie wytrzymałości w wyniku umacniania roztworu stałego. Istotny jest również stosunek ilościowy występujących faz, co jest widoczne szczególnie przy analizie właściwości stali pochodzących z wytopów 3 i 4. Stal zawierająca około 40 % ferrytu posiada największą wytrzymałość, a stal z wytopu 5 wykazała największą plastyczność. Obecność ferrytu w ilości (10 do 15 %) wydaje się najkorzystniejsza dla relacji wytrzymałość ciągliwość dla tej grupy stali. Praca realizowana w ramach projektu rozwojowego Narodowego Centrum Badań i Rozwoju nr NR Literatura 1. Grässel O., Krüger L., Frommeyer G., Meyer L. W.: High Strength Fe-Mn-(Al, Si) TRIP/TWIP steels developments properties-application. International Journal Plasticity vol. 16, 2000, pp Frommeyerr G., Brux U.: Microstructures and mechanical properties of high-strength FeMn-Al-C Light TRIPLEX Steels. Steel Research International, vol. 77, 2006, pp Hamada S. A:. Manufacturing, mechanical properties and corrosion behaviour of high Mn TWIP steels. Acta Universitatis Ouluensis, C281, Frommeyerr G., Brux U. Neumann P. : Supra-ductile and high-strength manganese-trip/twip steels for high energy absorption purposes. ISIJ International, vol. 43, 2003, nr 3, pp Woźnica H.: High alloy manganese aluminium steel fermanal type. Hutnik, 1977, nr 2, s Niewielski G., Hadasik E., Kuc D., Pawlicki J., Płachta A. : Research of plasticity of high manganese TWIP steel. Proc. of Conf. Autometform, Freiberg, 2011, pp