STRUKTURA I W AŒCIWOŒCI TAŒM ZE STALI N7E PRZEZNACZONYCH NA WYROBY Z NARO AMI KSZTA TOWYMI

Transkrypt

1 Prace IM 4 (2008) Struktura i w³aœciwoœci taœm ze stali N7E Krzysztof RADWAÑSKI, Jerzy WIEDERMANN Instytut Metalurgii elaza Andrzej ADAMIEC, Janusz STÊPIEÑ Przeróbka Plastyczna na Zimno Baildon Sp. z o.o. STRUKTURA I W AŒCIWOŒCI TAŒM ZE STALI N7E PRZEZNACZONYCH NA WYROBY Z NARO AMI KSZTA TOWYMI W ramach prezentowanej pracy wyznaczono w³aœciwoœci mechaniczne oraz wykonano badania struktury taœm wykonanych ze stali narzêdziowej N7E po ró nych etapach ich produkcji, przeznaczonych na wyroby z naro ami kszta³towymi, takie jak no e do kosiarek i rozdrabniaczy, listwy no owe do maszyn rolniczych czy elementy mocowañ plandek samochodów ciê arowych. Materia³em wyjœciowym do produkcji taœm zimnowalcowanych jest blacha gor¹cowalcowana. Walcowanie na zimno taœm, wy arzanie zmiêkczaj¹ce oraz hartowanie i odpuszczanie wykonano w warunkach przemys³owych Przeróbki Plastycznej na Zimno-Baildon Sp. z o.o. Wykonano badania, których wyniki pozwoli³y na scharakteryzowanie stanu materia³u pod wzglêdem struktury i w³aœciwoœci mechanicznych na poszczególnych etapach produkcji. Badania wykaza³y, e walcowanie na zimno oraz obróbka cieplna stosowana na poszczególnych etapach produkcji pozwalaj¹ na uzyskiwanie zró nicowania struktury taœm wykonanych ze stali N7E, a tym samym na kszta³towanie w szerokim zakresie w³aœciwoœci mechanicznych i twardoœci. S³owa kluczowe: taœma zimnowalcowana, stal narzêdziowa, obróbka cieplna, struktura, w³aœciwoœci mechaniczne STRUCTURE AND PROPERTIES OF N7E STEEL STRIPS FOR PRODUCTS WITH PROFILE CORNERS As a part of this work the mechanical properties were determined and structure examinations of N7E tool steel strips for products with profile corners, such as mower and shredder cutters, cutterbars for agricultural machines or elements of truck tarpaulin fastenings, after different stages of their production were carried out. The stock for production of cold-rolled strips is the hot-rolled plate. Cold rolling of strips, soft annealing as well as quenching and tempering were carried out under the industrial conditions of Przeróbka Plastyczna na Zimno-Baildon Sp. z o.o. The examinations the results of which allowed the material condition to be characterised for structure and mechanical properties at individual stages of production were performed. The examinations revealed that cold rolling and heat treatment applied at individual production stages allowed diversification in the structure of N7E steel strips to be obtained, thus enabling shaping the mechanical properties and hardness to a wide extent. Key words: cold-rolled strip, tool steel, heat treatment, structure, mechanical properties 1. WSTÊP W ostatnich latach obserwuje siê coraz wiêksze zapotrzebowanie ró nych ga³êzi przemys³u na taœmy zimnowalcowane ze stali narzêdziowych. Coraz czêœciej zg³aszane jest równie zapotrzebowanie na taœmy z naro ami kszta³towymi. Taœmy te stosowane s¹ g³ównie jako pó³fabrykaty do wytwarzania no y do kosiarek rotacyjnych, no y do rozdrabniaczy, na listwy no owe do maszyn rolniczych, na wykrojniki no owe dla producentów wyrobów ze skóry. Taœmy z zaokr¹glonymi krawêdziami poszukiwane s¹ równie przez odbiorców elementów urz¹dzeñ mog¹cych stanowiæ zagro enie (skaleczenia) dla osób postronnych lub monterów, jak na przyk³ad elementy wnêtrz autobusów, elementy mocowañ plandek samochodów ciê- arowych, itd. Struktura i w³aœciwoœci taœm s¹ uzale nione od ich procesów przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badañ struktury i w³aœciwoœci taœm ze stali narzêdziowej N7E po procesie walcowania na gor¹co, po walcowaniu na zimno i obróbce cieplnej. Celem niniejszej pracy by³o zbadanie struktury i wyznaczenie w³aœciwoœci mechanicznych taœm ze stali N7E po kolejnych etapach produkcji. 2. MATERIA DO BADAÑ Materia³ wyjœciowy stanowi³y blachy ze stali narzêdziowej N7E przeznaczone na taœmy z naro ami kszta³towymi, dostarczone w postaci krêgów gor¹cowalcowanych. Sk³ad chemiczny stali z których wykonano taœmy przedstawiono w tablicy 1. Walcowanie taœm na zimno przeprowadzono na walcarce kwarto-nawrotnej z gruboœci pocz¹tkowej 1,6 mm na

2 40 Krzysztof Radwañski, Jerzy Wiedermann, Andrzej Adamiec, Janusz Stêpieñ Prace IM 4 (2008) Tablica 1. Sk³ad chemiczny badanych taœm Table 1. Chemical constitution of examined strips Pierwiastek, % Gatunek stali C Al Cr Cu Mn Ni P S Si N7E 0,67 0,040 0,26 0,012 0,77 0,03 0,013 <0,005 0,22 gruboœæ 1,1 mm. Ca³kowity gniot wzglêdny wyznaczono z zale noœci (1): hc =(h 0 h 1 )/h 0 (1) gdzie: hc ca³kowity gniot wzglêdny, h 0 wysokoœæ pocz¹tkowa [mm], h 1 wysokoœæ koñcowa [mm]. Ca³kowity gniot wzglêdny hc dla taœm ze stali N7E wynosi hc = 0,31. Pomiêdzy przepustami stosowano oscylacyjne wy arzanie zmiêkczaj¹ce taœm w temperaturze 740/710 C z okresem wytrzymania w ka dej temperaturze wynosz¹cym 20 min. i ca³kowitym czasie wy arzania 3,5 h. Wy arzanie zmiêkczaj¹ce taœm zwiniêtych w krêgi przeprowadzono w piecu ko³pakowym o maksymalnej œrednicy krêgu wynosz¹cej 1300 mm i masie wsadu 5000kg. Hartowanie i odpuszczanie taœm ze stali N7E wykonano w linii technologicznej obejmuj¹cej miêdzy innymi hartowniczy piec elektryczny przelotowy z atmosfer¹ ochronn¹ i elektryczny piec przelotowy z k¹piel¹ o³owiow¹. Opisany proces produkcji taœm przeprowadzono w warunkach przemys³owych Przeróbki Plastycznej na Zimno Baildon Sp. z o.o. 4. WYNIKI BADAÑ Obrazy mikrostruktury taœm ze stali N7E po walcowaniu na zimno, wy arzaniu zmiêkczaj¹cym oraz hartowaniu i odpuszczaniu przedstawiono na rysunkach 1 8. Mikrostruktura materia³u wyjœciowego do walcowania na zimno z³o ona jest z mieszaniny perlitu oraz ferrytu (rys. 1). Taœmy po walcowaniu na zimno posiadaj¹ strukturê o wyd³u onych w kierunku walcowania ziarnach (rys. 2). Usuniêcie skutków odkszta³cenia i uplastycznienie taœm uzyskiwane jest poprzez zastosowanie wy arzania zmiêkczaj¹cego. Po oscylacyjnym wy arzaniu zmiêkczaj¹cym w temperaturze 740/710 C i ca³kowitym czasie wy arzania 3,5 h w piecu ko³pakowym w strukturze wystêpuje g³ównie sferoidyt. Zaobserwowano równie perlit p³ytkowy oraz niewielk¹ iloœæ ferrytu (rys. 3). Niepe³na koagulacja cementytu w perlicie œwiadczy o zbyt krótkim czasie zmiêkczania. 3. METODYKA BADAÑ W ramach niniejszej pracy przeprowadzono badania struktury, w³aœciwoœci mechanicznych oraz pomiary twardoœci taœm ze stali N7E w stanie po walcowaniu na gor¹co, po walcowaniu na zimno z ca³kowitym gniotem, po wy arzaniu zmiêkczaj¹cym oraz hartowaniu i odpuszczaniu. Próby rozci¹gania wykonano na próbkach p³askich o pocz¹tkowej bazie pomiarowej 80 mm przy u yciu maszyny wytrzyma³oœciowej ZWICK 250kN. Dla danego stanu taœmy wykonano po dwie próby rozci¹gania, a przedstawione w pracy wyniki w³aœciwoœci mechanicznych zosta³y uœrednione. Badania struktury wykonano za pomoc¹ mikroskopu œwietlnego NEOPHOT 21 przy powiêkszeniach 400 i 800 na zg³adach poprzecznych próbek pobranych z taœm. Udzia³ i rozk³ad ziarn austenitu szcz¹tkowego w strukturze taœm po hartowaniu i odpuszczaniu wyznaczono za pomoc¹ mikroskopu skaningowego INSPECT F wyposa onego w detektor EBSD, wykorzystuj¹cy w analizie dyfrakcjê elektronów wstecznie rozproszonych. Udzia³ austenitu szcz¹tkowego wyznaczono jako œredni¹ z trzech analiz. Dodatkowe badania strukturalne przeprowadzono za pomoc¹ wysokorozdzielczego przeœwietleniowego mikroskopu transmisyjnego 2000FX firmy JEOL. Pomiary twardoœci wykonano metod¹ Vickersa przy obci¹ eniu 98N zgodnie z PN-EN ISO :2007. Rys. 1. Mikrostruktura blachy po walcowaniu na gor¹co, pow. 800 Fig. 1. Microstructure of plate after hot rolling, mag. 800 Rys. 2. Mikrostruktura taœm po walcowaniu na zimno gniotem wzglêdnym hc = 0,31, pow. 800 Fig. 2. Microstructure of strips after cold rolling with relative draft hc = 0.31, mag. 800

3 Prace IM 4 (2008) Struktura i w³aœciwoœci taœm ze stali N7E... Taœmy ze stali N7E poddawane s¹ najczêœciej hartowaniu i odpuszczaniu. Taœmy odpuszczane w temperaturze 425 C i 550 C maj¹ strukturê sorbityczn¹ z austenitem szcz¹tkowym i wêglikami (rys. 4, 5). Odpuszczanie taœm w temperaturze 425 C spowodowa³o uzyskanie drobniejszej struktury sorbitycznej w porównaniu do struktury taœm po odpuszczaniu w temperaturze 550 C. Wyniki badañ z wykorzystaniem detektora EBSD przedstawiono na rysunkach 6 i 7, na których na kolorowo uwidaczniaj¹ siê ziarna austenitu szcz¹tkowego. Kolory ziarn austenitu szcz¹tkowego odniesiono do rozk³adów œredniej œrednicy ziarna austenitu. W przypadku taœm po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 425 C udzia³ austenitu szcz¹tkowego wynosi 3%, a najczêœciej wystêpuj¹ ziarna o œredniej œrednicy równowa nej 0,45 mm (rys. 6). Po odpuszczaniu taœm w temperaturze 550 C udzia³ austenitu szcz¹tkowego wynosi 4,6%. Najwiêkszy udzia³ wykazuje frakcja ziarn o œredniej œrednicy równowa nej oko³o 0,6 mm. Rozmiar ziarn austenitu szcz¹tkowego w obu przypadkach nie przekracza 1,2 mm. Na podstawie badañ przeprowadzonych za pomoc¹ przeœwietleniowego mikroskopu elektronowego i rozwi¹zaniu uzyskanej dyfrakcji elektronów (rys. 8b), mo na stwierdziæ, e w strukturze taœm po hartowaniu i odpuszczaniu wystêpuj¹ wêgliki M3C o podwy szonej zawartoœci a) 41 chromu i manganu (rys. 8). Na rys. 8a widoczny jest wêglik M3C, którego oœ pasa wynosi [110] [4]. Wyniki badañ prób rozci¹gania i pomiarów twardoœci taœm przedstawiono w tablicy 2. Blacha gor¹cowalcowana ze stali N7E charakteryzuje siê granic¹ plastycznoœci Rp0,2 = 568 MPa, wytrzyma³oœci¹ na rozci¹ganie Rm = 949 MPa oraz wyd³u eniem A80= 12,5%. Walcowanie na zimno blachy gor¹cowalcowanej z ca³kowitym gniotem wzglêdnym ehc=0,31 powoduje wzrost granicy plastycznoœci Rp0,2 do 833 MPa, wytrzyma³oœci na rozci¹ganie Rm do 1109 MPa oraz spadek wyd³u enia A80 do 4,8%. Roœnie równie twardoœæ taœm od 293HV1 po walcowaniu na gor¹co do 363HV1 po odkszta³ceniu na zimno. Pomiêdzy przepustami dla uplastycznienia materia³u stosowane jest wy arzanie zmiêkczaj¹ce, co pozwala na znaczne obni enie granicy plastycznoœci Rp0,2 (341MPa), wytrzyma³oœci na rozci¹ganie Rm (627MPa) oraz twardoœci (217HV1). Uzyskano wzrost wyd³u enia do zerwania, które wynosi A80=16,5%. Po ka dym cyklu walcowania na zimno i wy arzania zmiêkczaj¹cego uzyskuje siê zbli one wartoœci w³aœciwoœci mechanicznych i twardoœci. W zale noœci od wymagañ w³aœciwoœci mechanicznych, twardoœci i struktury taœm ze stali N7E poddaje siê je hartowaniu i nastêpnemu odpuszczaniu. W³aœciwoœci mechab) Rys. 3. Mikrostruktura taœm po oscylacyjnym wy arzaniu zmiêkczaj¹cym w piecu ko³pakowym: a) pow. 400, b) pow. 800 Fig. 3. Microstructure of strips after oscillatory soft annealing in bell-type furnace: a) mag. 400, b) mag. 800 Rys. 4. Mikrostruktura taœm po hartowaniu z temperatury 840 C i nastêpnym odpuszczaniu w temperaturze 425 C, pow. 800 Fig. 4. Microstructure of strips after quenching from 840 C followed by tempering at 425 C, mag. 800 Rys. 5. Mikrostruktura taœm po hartowaniu z temperatury 840 C i nastêpnym odpuszczaniu w temperaturze 550 C, pow. 800 Fig. 5. Microstructure of strips after quenching from 840 C followed by tempering at 550 C, mag. 800

4 42 Krzysztof Radwañski, Jerzy Wiedermann, Andrzej Adamiec, Janusz Stêpieñ Rys. 6. Mikrostruktura taœmy po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 425 C z zaznaczonymi na kolorowo ziarnami austenitu szcz¹tkowego odniesionymi do rozk³adu œredniej œrednicy równowa nej ziarna Fig. 6. Microstructure of strip after quenching and tempering at 425 C with retained austenite grains marked in colours and related to distribution of average equivalent diameter of grain Prace IM 4 (2008) Rys. 7. Mikrostruktura taœmy po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 550 C z zaznaczonymi na kolorowo ziarnami austenitu szcz¹tkowego odniesionymi do rozk³adu œredniej œrednicy równowa nej ziarna Fig. 7. Microstructure of strip after quenching and tempering at 550 C with retained austenite grains marked in colours and related to distribution of average equivalent diameter of grain

5 Prace IM 4 (2008) Struktura i w³aœciwoœci taœm ze stali N7E Rys. 8. Mikrostruktura cienkiej folii pobranej z taœmy po hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 425 C obserwowanej za pomoc¹ przeœwietleniowego mikroskopu elektronowego: a) obraz struktury - wêglik, b) - dyfrakcja z rys. a. Wyniki mikroanalizy sk³adu chemicznego wêglika z rys. a: Cr-1,95%, Mn-3,2%, Fe-88,6%. Po rozwi¹zaniu dyfrakcji, na rys. a widoczny jest wêglik M 3 C, którego oœ pasa wynosi [110] [4] Fig. 8. Microstructure of thin foil taken from strip after quenching and tempering at 425 C, observed with transmission electron microscope: a) structure image carbide, b) diffraction from fig. a Tablica 2. Wyniki pomiarów twardoœci HV1 oraz próby rozci¹gania próbek o pocz¹tkowej d³ugoœci pomiarowej L 0 =80mm pobranych z taœm ze stali N7E [1 3] Table 2. Results of HV1 hardness measurements and tensile test for samples with original gauge length L 0 = 80 mm, taken from N7E steel strips [1 3] Próbka Granica plastycznoœci R p0,2 [MPa] Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie R m [MPa] Wyd³u enie L u [mm] A 80 [%] Twardoœæ HV1 Taœma gor¹cowalcowana ,0 12,5 293 Taœma po walcowaniu na zimno z ca³kowitym gniotem wzglêdnym hc = 0, ,8 4,8 368 Taœma po oscylacyjnym wy arzaniu zmiêkczaj¹cym w 740/710 C ,2 16,5 217 Taœma po hartowaniu z 840 C i odpuszczaniu w 425 C ,05 2,6 556 Taœma po hartowaniu z 840 C i odpuszczaniu w 550 C ,37 5,5 418 niczne taœm po hartowaniu i odpuszczaniu s¹ bardzo wysokie i zale ¹ g³ównie od temperatury odpuszczania. Odpuszczanie taœm w temperaturze 425 C po hartowaniu z temperatury austenityzowania, pozwala uzyskaæ granicê plastycznoœci R p0,2 = 1692MPa, wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie R m = 1823MPa, przy jednoczesnym bardzo niewielkim wyd³u eniu A 80 = 2,6%. Twardoœæ taœmy po takiej obróbce wynosi 556HV1. Taœmy odpuszczane w wy szej temperaturze 550 C wykazuj¹ ni sz¹ w stosunku do taœm odpuszczanych w temperaturze 425 C granicê plastycznoœci (R p0,2 = 1263 MPa), wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie (R m = 1325 MPa) i twardoœæ (413HV1). 5. PODSUMOWANIE W ramach niniejszej pracy przeprowadzono badania struktury i wyznaczono w³aœciwoœci mechaniczne taœm wykonanych ze stali narzêdziowej N7E po walcowaniu na gor¹co, po walcowaniu na zimno i w stanie obrobionym cieplnie, tj. po wy arzaniu zmiêkczaj¹cym oraz hartowaniu i odpuszczaniu. Na wybranych przyk³adach przedstawiono charakterystyczne stany struktury i w³aœciwoœci mechanicznych dla poszczególnych etapów produkcji taœm zimnowalcowanych przeznaczonych na wyroby z naro ami kszta³towymi. W wyniku przeprowadzonych badañ mo na stwierdziæ, e: 1. Jako materia³ wyjœciowy do produkcji taœm ze stali N7E stosuje siê blachê gor¹cowalcowan¹ o strukturze mieszaniny ferrytu i perlitu i zbli onych do wyznaczonych w pracy w³aœciwoœciach mechanicznych, wynosz¹cych R p0,2 = 568 MPa, R m = 949 MPa, A 80 = 12,5%. Walcowanie na zimno blachy powoduje du y wzrost g³ównie granicy plastycznoœci do oko³o R p0,2 = 830MPa oraz istotny spadek wyd³u enia do oko³o A 80 = 5%.

6 44 Krzysztof Radwañski, Jerzy Wiedermann, Andrzej Adamiec, Janusz Stêpieñ Prace IM 4 (2008) 2. Taœmy zimnowalcowane po procesie wy arzania zmiêkczaj¹cego, stosowanego pomiêdzy przepustami w procesie walcowania, charakteryzuj¹ siê niskimi wartoœciami R p0,2, R m i nisk¹ twardoœci¹, przy jednoczeœnie wysokich wartoœciach wyd³u enia do zerwania, w porównaniu do taœm po walcowaniu na zimno. Struktura taœm wy arzonych zmiêkczaj¹co z³o ona jest g³ównie z sferoidytu. Ponadto w strukturze stwierdzono obecnoœæ perlitu p³ytkowego i ferrytu. 3. Struktura taœm w stanie po hartowaniu i odpuszczaniu z³o ona jest z sorbitu, austenitu szcz¹tkowego i wêglików M 3 C. Udzia³ austenitu szcz¹tkowego w strukturze taœm nie przekracza 5%, a œrednia œrednica równowa- na jego ziarn 1,2 m. Taœmy po hartowaniu i odpuszczaniu wykazuj¹ bardzo wysok¹ granicê plastycznoœci, wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie i twardoœæ, których wartoœci uzale nione s¹ w g³ównej mierze od temperatury odpuszczania. LITERATURA 1. Radwañski K., Wiedermann J.: Badanie wp³ywu parametrów przeróbki plastycznej na zimno na zmiany struktury i w³aœciwoœci taœm i pasów z naro ami kszta³towymi wykonanych ze stali narzêdziowych, sprawozdanie nr PC , grudzieñ Wiedermann J., Radwañski K.: Badanie wp³ywu parametrów miêdzyoperacyjnej obróbki cieplnej na zmiany struktury i w³aœciwoœci taœm i pasów walcowanych na zimno z naro ami kszta³towymi wykonanych ze stali narzêdziowych, sprawozdanie nr PC , listopad Wiedermann J., Radwañski K.: Opracowanie parametrów miêdzyoperacyjnej obróbki cieplnej dla poszczególnych asortymentów taœm walcowanych na zimno z naro ami kszta³towymi, sprawozdanie nr PC , maj Radwañski K., Wiedermann J.: Badanie wp³ywu parametrów koñcowej obróbki cieplnej na zmiany struktury i w³aœciwoœci taœm i pasów walcowanych na zimno z naro ami kszta³towymi wykonanych ze stali narzêdziowych, sprawozdanie nr PC , maj Praca wykonana w ramach projektu Projekt Celowy Nr: 6 ZR C/06869 dofinansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wy szego Recenzent: dr in. W³adys³aw Zalecki