Opracowanie technologii wytapiania i odlewania nowoczesnych stali dla przemys³u motoryzacyjnego

Transkrypt

1 42 Projekty badawcze sfinansowane z dotacji... Prace IM 2 (2008) Urszula Galisz, Artur Mazur Opracowanie technologii wytapiania i odlewania nowoczesnych dla przemys³u motoryzacyjnego W ramach pracy opracowano technologiê wytapiania i odlewania w pró niowym piecu indukcyjnym nowych gatunków typu IF, BH i DP przeznaczonych dla przemys³u motoryzacyjnego z wykonaniem serii wytopów badawczych wytypowanych. Zastosowana technologia umo liwi³a spe³nienie postawionych wymagañ w zakresie dotrzymania w¹skich zakresów zawartoœci pierwiastków stopowych oraz zawartoœci domieszek w, jak równie pozwoli³a na uzyskanie bardzo niskich zawartoœci siarki w, do poziom poni ej %. Development of technology for melting and casting modern steels for automotive industry As a part of the work the technology for melting and casting new grades of IF, BH and DP-type steel for the automotive industry in the vacuum induction furnace was developed and a series of research melts of designated steels were made. The applied technology allowed meeting the fundamental requirements with regard to complying with narrow ranges of the contents of alloy elements and the contents of admixtures in steel, as well as allowed obtaining very low sulphur contents in steel, i.e. below 0.005%.

2 Prace IM 2 (2008) Projekty badawcze sfinansowane z dotacji Wprowadzenie, cel i zakres pracy Na zapotrzebowanie przemys³u motoryzacyjnego opracowano nowe gatunki posiadaj¹ce ekstremalne w³asnoœci w zakresie podatnoœci do t³oczenia. Do tej grupy zalicza siê stale ultraniskowêglowe typu IF przeznaczone na blachy superg³êbokot³oczne, taœmy typu full hard dla ocynkowni ogniowych, blachy do emaliowania, druty i inne. W stalach tej grupy istnieje œcis³y zwi¹zek pomiêdzy sk³adem chemicznym a procesami wydzieleniowymi i rozrostem ziarna. Podstawowym wymogiem otrzymywania podatnych do kszta³towania jest wyeliminowanie pierwiastków miêdzywêz³owych, do których zalicza siê wêgiel i azot, co determinuje technologiê ich wytwarzania. Produkcja tych wymaga œcis³ej regulacji sk³adu chemicznego i iloœci pierwiastków rozpuszczonych. Konieczne jest, wiêc zastosowanie procesu technologicznego umo liwiaj¹cego sterowaniem sk³adem chemicznym oraz uzyskanie wysokiego stopnia czystoœci. Celem pracy by³o opracowanie technologii wytapiania i odlewania wytypowanych gatunków w pró niowym piecu indukcyjnym, pozwalaj¹cej na uzyskanie kontrolowanych zawartoœci pierwiastków stopowych oraz domieszkowych, g³ównie wêgla, azotu i siarki, jak równie wymaganej du ej czystoœci. Praca dotyczy³a wzbogacenia i rozszerzenia stanu wiedzy i metodyki badañ w zakresie wytwarzania nowoczesnych dla przemys³u motoryzacyjnego, w tym ultraniskowêglowych typu IF, miêdzy innymi w aspekcie perspektywicznych badañ dla ArcelorMittal Poland i przysz³oœciowego uruchomienia produkcji tych w kraju. Wyniki pracy wp³yn¹ na rozszerzenie stanu wiedzy w zakresie procesów metalurgicznych takich jak: odwêglanie, odazotowanie i rafinacja k¹pieli metalowej, przebiegaj¹cych w warunkach obni onego ciœnienia oraz umo liwi¹ podjêcie przysz³oœciowych prac zwi¹zanych z projektowaniem technologii przemys³owych wytwarzania ultraniskowêglowych z mikrododatkami. Wykonanie badañ Zakres badañ obejmowa³: opracowanie technologii wytapiania i odlewania nowych dla przemys³u motoryzacyjnego, obejmuj¹cych: stale typu IF (interstitial free), stale typu BH (bake hardening), stale typu DP (dual phase). wykonanie wytopów badawczych tych o wytypowanych sk³adach chemicznych, opracowanie metodyki wykonania wytopów badawczych bainitycznych o powtarzalnym podstawowym sk³adzie chemicznym i zró nicowanych zawartoœciach pierwiastków stopowych, wykonanie serii wytopów tej w czterech wariantach, ze zró nicowanymi zawartoœciami Ni i Ti. Technologiê wytwarzania badawczych oparto o proces wytapiania i odlewania w pró niowym piecu indukcyjnym (ppi) typu VSG-50. Sk³ad chemiczny Wymagane sk³ady chemiczne dla motoryzacji typu IF przedstawiono w tablicy 1, natomiast w tablicy 2 przedstawiono sk³ady chemiczne bainitycznych, o zró nicowanych zawartoœciach pierwiastków stopowych. Technologia wykonania wytopów dla motoryzacji Wytopy o masie 25 kg wykonano w laboratoryjnym pró - niowym piecu indukcyjnym typu VSG-50 firmy Balzers. Tygiel pieca stanowi³ monolityczny wk³ad ceramiczny z masy magnezjowo-spinelowej Al 2 O 3 MgO, osadzony w cewce przy u yciu masy ubijanej na sucho, a nastêpnie wypalany wed³ug okreœlonego programu temperaturowoczasowego. Wsad zestawiano z materia³ów o znanym sk³adzie chemicznym i du ej czystoœci, oraz odpowiedniej postaci fizycznej dla dobrego wype³nienia objêtoœci tygla. Podstawowy wsad stanowi³o elazo Armco o du ej czystoœci i ma³ej zawartoœci domieszek (siarki i fosforu). Dla uzyskania wymaganego sk³adu chemicznego oraz du ej czystoœci metalurgicznej, stosowano g³ównie czyste dodatki metaliczne i niemetaliczne w postaci: manganu metalicznego, krzemu czystego, chromu metalicznego, tytanu czystego, wêgla grafitu, elazoniobu. Do odtlenienia k¹pieli stosowano aluminium, W wytopach, w których wymagana by³a bardzo ma³a zawartoœæ siarki ( %) przeprowadzono odsiarczanie k¹pieli z zastosowaniem miszmetalu, o sk³adzie: Ce ~ 50%, La ~ 20%, Nd ~ 20%. W wytopach typu BH, z podwy szon¹ zawartoœci¹ fosforu, stosowano do wsadu dodatek fosforku elaza (FeP). W wytopach z bardzo ma³¹ zawartoœci¹ wêgla ( %), wprowadzano do wsadu tlenek elaza, jako dodatkowego noœnika tlenu, dla przeprowadzenia g³êbokiego odwêglania k¹pieli. Sk³adniki wsadu o niskiej prê noœci par, takie jak: chrom, elazofosfor i tlenek elaza ³adowano do tygla, a pozosta³e sk³adniki, tj. aluminium, krzem, mangan, wêgiel, tytan oraz miszmetal rozmieszczano w poszczególnych przegrodach zasobnika, w kolejnoœci odpowiadaj¹cej póÿniejszemu ich wprowadzaniu do k¹pieli. Nagrzewanie wsadu rozpoczynano przy ciœnieniu rzêdu 0,2 mbara, nastêpnie z chwil¹ zaobserwowania rozpoczêcia roztapiania wsadu wprowadzano do komory pieca argon do ciœnienia ~300 mbar, prowadz¹c dalszy proces topienia. Po ca³kowitym roztopieniu wsadu i osi¹gniêciu odpowiedniej temperatury przystêpowano do odgazowania k¹pieli metalowej. Odgazowanie k¹pieli prowadzono przy mo liwie niskim ciœnieniu (wysokiej pró ni), poni ej 0,2 mbara, przez okres minut, a do ca³kowitego uspokojenia k¹pieli. Odwêglanie k¹pieli metalowej wêglem, przebiega równoczeœnie z procesem odgazowania i odtleniania pró niowego, pod warunkiem, e w uk³adzie jest odpowiednia iloœæ tlenu. Poniewa stosowane elazo Armco zawiera³o bardzo ma³o tlenu (ok. 30 ppm), wprowadzono do uk³adu dodatkowy tlen w postaci tlenku elaza, aby zintensyfikowaæ proces odwêglania. Po zakoñczeniu procesu odgazowania i odwêglania przeprowadzano koñcowe odtlenienie k¹pieli przy u yciu aluminium. Nastêpnie wprowadzano do k¹pieli z zasobnika pozosta³e dodatki stopowe dla uzupe³nienia sk³adu chemicznego. Odsiarczanie prowadzono miszmetalem, wprowadzaj¹c go jako ostatni dodatek do k¹pieli metalowej. Po wprowadzeniu miszmetalu, wyd³u ano mieszanie k¹pieli do kilku minut, dla umo liwienia wyp³yniêcia utworzonych wtr¹ceñ niemetalicznych, Po wprowadzeniu wszystkich dodatków regulowano temperaturê k¹pieli do wymaganej do odlewania, wynosz¹cej ok o C powy ej temperatury likwidus dla wytapianego gatunku, pobierano próbkê do analizy sk³adu chemicznego i przystêpowano do odlewania wytopu. Odlewanie prowadzono w atmosferze argonu do wlewnicy eliwnej, okr¹g³ej z nadstawk¹, g³uchodennej, zbie nej ku do³owi, na wlewki o masie 25 kg. Po odlaniu

3 44 Projekty badawcze sfinansowane z dotacji... Prace IM 2 (2008) Tablica 1. Zestawienie wymaganych sk³adów chemicznych wytopów dla motoryzacji Table 1. Summary of required chemical compositions of steel melts for the automotive industry Lp. Rodz Oznaczenie 1 H280LA 2 H320LA 3 H400LA 4 S420MC 5 Stale IF DX54D+Z 6 Stale IF DC04EK 7 Stal BH HX220BD-CA 8 Stal BH HX220BD-BA 9 Stal DP HDT580X 10 Stal DP HCT600X 11 Stal DP HCT600X Zawartoœæ pierwiastków, [%] C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Ti V Nb Al C 0,07 0,09 0,010 0, ,07 0,09 0,10 0,12 0,10 0,12 0,35 0,50 0,85 0,95 1,0 1,2 1,00 1,25 0,03 0,03 0, ,01 5 0,012 0,012 0,45 0,55 0,01 0,090 0,110 0,032 0, , N ppm Nr wytopu Tablica 2. Zestawienie wymaganych sk³adów chemicznych wytopów bainitycznych Table 2. Summary of required chemical compositions of bainitic steel melts Rodz. pieca Masa wytopu kg VSG 100 S 95 VSG Wymiar wlewka mm Wlewnica Ø Oznaczenie stal bazowa wariant 1 Zawartoœæ pierwiastków, [%] C Mn Si P S Ni Cu Ti B Al C N ppm 0,1 1,5 0,3 0,010 0, S22 Wariant 2 0,1 1,5 0,3 0,010 0, Nr wytopu VSG wlewnica Wariant 3 0,1 1,5 0,3 0,010 0,010 0, VSG nadstawk. Wariant 4 0,1 1,5 0,3 0,010 0,010 0, VSG Wariant 5 0,1 1,5 0,3 0,010 0,010 0,50 0,

4 Prace IM 2 (2008) Projekty badawcze sfinansowane z dotacji wytopu, odczekano oko³o minut, przy zamkniêtym piecu, w atmosferze argonu, potrzebnych do zakrzepniêcia g³owy wlewka, a nastêpnie wprowadzano powietrze do komory i otwierano piec. Wlewki rozbrajano w stanie zimnym, po up³ywie oko³o 20 godzin od odlewania (nastêpnym dniu). Metodyka wykonania wytopów bainitycznych o powtarzalnym podstawowym sk³adzie chemicznym i zró nicowanych zawartoœciach pierwiastków stopowych W wytopach bainitycznych podstawowym, powtarzalnym sk³adem, który nale a³o uzyskaæ we wszystkich wytopach by³a zawartoœæ: C %, Mn 1,5%. Si 0,3%, P 0,010%, S 0,010%, Al ca³k. %. Zró nicowanie dotyczy³o zawartoœci takich pierwiastków, jak: Ni, Cu, Ti, B, w ró nych wariantach iloœciowych. Dla uzyskania podstawowego sk³adu, wykonano wytopy okreœlone jako bazowe, w pró niowym piecu indukcyjnym VSG 100S, z odlewaniem do kryzatora o wymiarach mm, na wlewki o pojemnoœci 95 kg. Odlane wlewki, po pociêciu na odpowiednie kawa³ki, stanowi³y wsad do wytopów w pró niowym piecu indukcyjnym VSG 50. W piecu VSG 50 nastêpowa³o g³ównie naprowadzenie wymaganego sk³adu chemicznego w zakresie pierwiastków stopowych i mikrododatków wymaganych dla danego wariantu gatunkowego. Poniewa materia³ bazowy pochodzi³ z wytopów pró niowych i by³ poddany g³êbokiemu odgazowaniu i rafinacji pró niowej, nie prowadzono ju procesu odgazowania. Stal odlewano w atmosferze argonu do wlewnicy eliwnej, okr¹g³ej z nadstawk¹, g³uchodennej, zbie nej ku do³owi, na wlewki o masie 25 kg. Po rozbrojeniu, wlewki przekazano do przeróbki plastycznej sposobem kucia, na okreœlone wymiary prêtów. Wyniki badañ W wytopach dla motoryzacji, wymagania odnoœnie sk³adu chemicznego dotyczy³y g³ównie bardzo w¹skich zakresów zawartoœci poszczególnych pierwiastków, szczególnie zawartoœci wêgla, jak równie w niektórych gatunkach zawartoœci manganu, niobu i tytanu. Specyfik¹ wymaganego sk³adu by³a równie bardzo ma³a zawartoœæ siarki oraz regulowana zawartoœæ fosforu (w gatunku DC04EK i HX220BD-CA). W wykonanych wytopach uzyskano dobr¹ trafialnoœæ sk³adu chemicznego wytapianych. Dotrzymanie w¹skich zakresów zawartoœci poszczególnych pierwiastków by³o mo liwe w wyniku zastosowania do wytopów czystych dodatków metalicznych i niemetalicznych, jak równie stosowania œcis³ych procedur technologicznych w zakresie naliczania wsadu oraz prowadzenia procesu technologicznego. Trudniejsze by³o dotrzymanie wymaganych zawartoœci domieszek, okreœlonych jako zawartoœci maksymalne. Zastosowane materia³y wsadowe, pomimo du ej ich czystoœci, nie zapewnia³y uzyskania bardzo niskiej zawartoœci siarki w, wymaganej w stalach typu IF. Usuwanie siarki jest stosunkowo trudne w procesie wytapiania w pró niowym piecu indukcyjnym, ze wzglêdu na brak u- la w tym procesie. Odsiarczaniu sprzyja poza tym niska zawartoœæ tlenu w k¹pieli, przy wy szej zawartoœci wêgla i krzemu, które zwiêkszaj¹ wspó³czynnik aktywnoœci siarki. W wykonywanych wytopach odsiarczanie prowadzono z u yciem miszmetalu, w iloœci 1,6 g na kg, wprowadzaj¹c go do k¹pieli dok³adnie odtlenionej, z bardzo ma³¹ zawartoœci¹ tlenu i w odpowiedniej fazie procesu metalurgicznego. Zastosowana technologia odsiarczania pozwoli³a na uzyskanie bardzo niskich zawartoœci siarki w, nawet na poziomie %. W stalach IF wymagana jest równie niska zawartoœæ azotu, okreœlona jako ppm. G³ównym noœnikiem azotu do wytopów jest elazo armco, które wprowadza go do k¹pieli w iloœci oko³o ppm. Proces pró niowego odgazowania pozwoli³ na jego usuniêcie do wartoœci oko³o ppm, co stanowi³o oko³o 50% wartoœci pocz¹tkowej. W wytopach bainitycznych, najwiêksz¹ trudnoœæ stanowi³o uzyskanie powtarzalnego sk³adu chemicznego w zakresie pierwiastków podstawowych. Sk³ady otrzymane w wytopach bazowych by³y bardzo zbli one pod wzglêdem zawartoœci wêgla, manganu i krzemu. Wiêksze zró nicowanie uzyskano w przypadku zawartoœci glinu. Do przetopów w piecu VSG 50, zastosowano wlewek bazowy o wstêpnie naprowadzonym sk³adzie chemicznym. Poniewa materia³ wsadowy by³ ju poddany g³êbokiemu odgazowaniu, technologia wytapiania nie obejmowa³a procesu odgazowania, aby unikn¹æ nadmiernych strat niektórych pierwiastków w procesie pró niowym. Proces roztapiania wsadu w pocz¹tkowej fazie odbywa siê jednak pod obni onym ciœnieniem i ju w tej fazie wytopu przebiegaj¹ np. reakcje odwêglania i parowania sk³adników o du ej prê noœci par. W póÿniejszym etapie procesu metalurgicznego przebiegaj¹ te reakcje sk³adników z materia³em tygla. Reakcje te prowadz¹ do zgarów niektórych pierwiastków w (czêsto niekontrolowanych i trudnych do okreœlenia, ze wzglêdu na zmiennoœæ warunków procesu), powoduj¹c ich ubytek w. Zmiennoœæ warunków procesowych powodowa³a, e w wykonywanych wytopach uzupe³nianie sk³adników, do zawartoœci wymaganych, stanowi³o du ¹ trudnoœæ w uzyskiwaniu wymaganej powtarzalnoœci. Problem uzyskiwania powtarzalnoœci sk³adu chemicznego, szczególnie w zakresie pierwiastków takich jak glin, wegiel itp., wymaga dalszych badañ nad technologi¹ wytapiania w pró niowym piecu indukcyjnym. Podsumowanie W oparciu o opracowane eksperymentalne zakresy zawartoœci pierwiastków w stalach dla przemys³u motoryzacyjnego, opracowano technologiê wytapiania i odlewania w pró niowym piecu indukcyjnym wytypowanych gatunków tych oraz wykonano wytopy badawcze, które obejmowa³y: stale typu IF, stale typu BH, stale typu DP. Opracowano metodykê wykonania wytopów badawczych bainitycznych o powtarzalnym podstawowym sk³adzie chemicznym i zró nicowanych zawartoœciach pierwiastków stopowych. Wykonano seriê wytopów tej w czterech wariantach, ze zró nicowanymi zawartoœciami Ni i Ti. Technologia wytwarzania badawczych w pró niowym piecu indukcyjnym obejmowa³a: dobór i przygotowanie wsadu do procesu wytapiania, dobór dodatków stopowych i mikrododatków, proces odgazowania i rafinacji, proces odtleniania k¹pieli metalowej i regulacji sk³adu chemicznego, proces odwêglania k¹pieli, proces odlewania.

5 46 Projekty badawcze sfinansowane z dotacji... Prace IM 2 (2008) Zastosowana technologia wykonania wytopów dla przemys³u motoryzacyjnego, umo liwi³a spe³nienie postawionych wymagañ w zakresie dotrzymania w¹skich zakresów zawartoœci poszczególnych pierwiastków stopowych oraz zawartoœci domieszek w, jak równie pozwoli³a na uzyskanie bardzo niskich zawartoœci siarki w, do poziomu poni ej %. Opracowana technologia wytapiania bainitycznych da³a wynik pozytywny w zakresie dotrzymania wymaganych zawartoœci poszczególnych pierwiastków w, natomiast uzyskiwanie powtarzalnoœci sk³adu chemicznego, wymaga prowadzenia dalszych badañ.