KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007 JERZY STĘPIEŃ * BADANIA STRUKTURALNE MECHANIZMU ODKSZTAŁCENIA NA ZIMNO STALI PRZEZ ZGNIATANIE OBROTOWE Zgniatanie obrotowe na zimno stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V stosuje się w celu uzyskania w wyrobie gotowym bardzo drobnej struktury. Uzyskanie bardzo drobnej struktury pozwala na podwyższenie właściwości wytrzymałościowych wyrobu gotowego przy bezpiecznym poziomie wydłużenia A 5 powyżej 10%. Zgniatanie obrotowe wykonano na dwóch stanowiskach: na stanowisku doświadczalnym FPS Bolechowo, stosując stal wytapianą z zastosowaniem pozapiecowej obróbki próżniowej VAD, i na stanowisku produkcyjnym niemieckiej firmy MSR, stosując stal przetapianą elektrożużlowo EŻP. Stwierdzono, że mikrostruktura stali EŻP jest bardziej jednorodna i bardziej drobnoziarnista niż stali VAD, zarówno po ulepszaniu cieplnym jak i po zgniataniu obrotowym na zimno. Niskowęglowa stal Cr-Mn-Mo-V po hartowaniu z temperatury 970 C i odpuszczaniu w temperaturze ok. 660 C ma wydłużenie A 5 od 12,0 do 12,9% przy R m od 1114 do 1154 MPa i spełnia założone kryteria: przy R m = 1080 1280 MPa A 5 10. Po odkształceniu na zimno wytrzymałość tej stali wzrasta do ok. 1500 MPa. Słowa kluczowe: zgniatanie obrotowe, odkształcanie na zimno, struktura, martenzyt, ulepszanie cieplne 1. WSTĘP Zgniatanie obrotowe na zimno stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V stosuje się w celu uzyskania w wyrobie gotowym bardzo drobnej struktury. Uzyskanie bardzo drobnej struktury pozwala na podwyższenie właściwości wytrzymałościowych wyrobu gotowego przy bezpiecznym poziomie wydłużenia A 5 powyżej 10%. Stanem wyjściowym przed zgniataniem obrotowym jest struktura martenzytu odpuszczonego. Wyroby po odkształceniu na gorąco podlegają obróbce cieplnej i obróbce mechanicznej. Po ulepszaniu cieplnym mają następujące właściwości: R m = 1080 1280 MPa i A 5 10 %, a po zgniataniu obrotowym na zimno: Rm = 1380 1500 MPa i A 5 7 % [2, 3]. Po zgniataniu obrotowym uzyskano w wyrobie strukturę silnie rozdrobnionego martenzytu listwowego umoc- * Dr inż. Instytut Metalurgii Żelaza im. S. Staszica w Gliwicach.
170 J. Stępień nionego wydzieleniami i pasmami odkształcenia ułożonymi w objętości wyrobu w wielu kierunkach. Zgniatanie obrotowe wykonano na dwóch stanowiskach: na stanowisku doświadczalnym FPS Bolechowo i na stanowisku produkcyjnym niemieckiej firmy MSR. Na stanowisku doświadczalnym próby zgniatania obrotowego wykonano na wyrobie ze stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V wytapianej w piecu elektrycznym z zastosowaniem pozapiecowej obróbki próżniowej (stal VAD) i modyfikacji wtrąceń niemetalicznych wapniem, a na stanowisku produkcyjnym firmy MSR zgniatanie obrotowe wykonano na wyrobie z tego samego gatunku stali dodatkowo przetapianej elektrożużlowo (stal EPŻ). Na podstawie badań strukturalnych stwierdzono, że struktura w wyrobach ze stali EPŻ jest bardziej jednorodna i daje się bardziej rozdrobnić niż struktura wyrobów ze stali VAD. 2. MATERIAŁ BADAŃ Badaniom strukturalnym poddano próbki ze stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V pochodzące z wytopów VAD i EPŻ, pobranych z półwyrobów wyciskanych na gorąco i z wyrobów zgniatanych na zimno. Wymagany skład chemiczny i wyniki analiz wytopowych stali VAD i EPŻ przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1 Skład chemiczny stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V oraz wyniki analiz wytopowych stali VAD i EPŻ Chemical composition of low-carbon Cr-Mn-Mo-V steel and ladle chemical analysis of VAD and ESR steel Skład chemiczny [%] Stal C Mn Si P S Cr Ni Mo V Cu Al Ca Skład wymagany 0,12 0,18 0,80 1,00 max 0,20 max 0,020 max 0,015 1,25 1,50 max 0,40 0,80 1,00 0,20 0,30 max 0,10 0,01 0,03 min 0,002 VAD 0,17 0,89 0,20 0,013 0,011 1,40 0,09 0,84 0,26 0,10 0,019 0,005 EPŻ 0,15 0,88 0,09 0,011 0,003 1,35 0,08 0,83 0,25 0,10 0,034 Wyciskanie na gorąco wyprasek stanowiących wsad do zgniatania na zimno prowadzono na prasie z kęsa kwadratowego o przekroju 130 130 mm. Po wyciskaniu na gorąco wypraski poddawano zabiegowi ulepszania cieplnego polegającego na hartowaniu w oleju z temperatury 970 C i odpuszczaniu w temperaturze 660 C. Po obróbce cieplnej wypraski obrabiano mechanicznie, nadając im ostateczny wymiar do zgniatania obrotowego na zimno. Wypraski do zgniatania obrotowego na stanowisku doświadczalnym FPS Bolechowo (wypraski ze stali
Badania strukturalne mechanizmu odkształcenia na zimno stali... 171 VAD) i firmy MSR (wypraski ze stali EPŻ) miały następujące wymiary: średnica wewnętrzna φ116,02 mm, grubość ścianki 6,1 mm i długość 510 mm. Na stanowisku doświadczalnym FPS po zgniataniu na zimno uzyskano wyrób o następujących wymiarach: długość ponad 1700 mm, średnica zewnętrzna 122 mm, zmienna grubość ścianki od 3 mm (w początkowej części zgniatania obrotowego wyrobu) do grubości niejednorodnej mieszczącej się w zakresie od 1,6 do 1,8 mm. Natomiast na stanowisku produkcyjnym MSR uzyskano wyroby o długości powyżej 1700 mm, średnicy wewnętrznej 116 mm i zmiennej grubości ścianki od 1,5 mm (część środkowa wyrobu) do 3 mm (w częściach przedniej i tylnej wyrobu), gdzie średnica zewnętrzna wyniosła 122 mm. 3. ZAKRES I METODYKA BADAŃ WYPRASEK ZE STALI 15HGMV Na wycinkach wyprasek ze stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V, pochodzących z wytopów VAD i EPŻ pobranych po poszczególnych etapach: wyciskania na gorąco, po obróbce cieplnej i po zgniataniu na zimno, wykonano: badania mikrostruktury na mikroskopie świetlnym, badania mikrostruktury na mikroskopie skaningowym, badania mikrostruktury na elektronowym mikroskopie prześwietleniowym, badania właściwości mechanicznych. Mikrostrukturę obserwowano za pomocą mikroskopu świetlnego, mikroskopu skaningowego i elektronowego mikroskopu prześwietleniowego. Obserwacje pod mikroskopami świetlnym i skaningowym prowadzono na zgładach metalograficznych, a na elektronowym mikroskopie prześwietleniowym na cienkich foliach. Właściwości plastyczne i wytrzymałościowe wyznaczono w próbie rozciągania na maszynie wytrzymałościowej Instron o maksymalnym obciążeniu 200 kn. Właściwości mechaniczne zostały określone zgodnie z normą PN-91/H- -04310. 4. WYNIKI BADAŃ WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH I STRUKTURALNYCH Na odcinkach próbek wyciętych z wyrobów po zgniataniu obrotowym na zimno oznaczono właściwości: R m, R 0,2, twardość HB i A 5. Wyniki przedstawiono w tablicy 2. Przykłady mikrostruktur obserwowanych pod mikroskopem świetlnym zamieszczono na rys. 1 3. Na rysunku 1 przedstawiono strukturę wysoko odpuszczonego martenzytu występującą w wyprasce po ulepszaniu cieplnym przed zgniataniem na zimno.
172 J. Stępień Tablica 2 Wyniki badań właściwości mechanicznych wyrobów ze stali 15HGMV po zgniataniu na zimno w warunkach przemysłowych Results of investigations of mechanical properties of 15HGMV steel after cold deformation at industry conditions Parametry obróbki cieplnej Miejsce pobrania próbki R m [MPa] R 0,2 [MPa] A 5 [%] Twardość HB Nr 1 1 1241 1147 8,0 342 H: 970 C 2 1105 1020 8,0 314 O: 660 C 3 1253 1139 6,9 348 Tablica 3 Wyniki badań właściwości mechanicznych kadłubów ze stali 15HGMV po obróbce cieplnej i po zgniataniu obrotowym na zimno w warunkach przemysłowych Results of investigations of mechanical properties of rocket case of 15HGMV steel after the heat treatment and cold deformation at industry conditions Zgniatarka FPS MSR Grubość ścianki [mm] Twardość HV Wartość średnia HV R m [MPa] R 0,2 [MPa] A 5 [%] 3 330,327,330,330 329 1134 985 12,6 1,6 1,8 351,348,348,349 349 1001 856 15,0 3 380,380,380,383 381 1002 899 12,7 1,5 441,441,441,437 440 898 799 16,4 Rys. 1. Przykładowy obraz mikrostruktury wyprasek po ulepszaniu cieplnym (hartowanie z temperatury 970 C i odpuszczanie w temperaturze 660 C) przed zgniataniem na zimno (pow. 500 ) Fig. 1. Example of the picture of microstructure of moulding after heat treatment (quenching from 970 C and tempering at 660 C) before cold deformation (magn. 500 ) Na rysunkach 2 i 3 pokazano strukturę wyrobów zgniatanych obrotowo na stanowisku doświadczalnym FPS (rys. 2) i na stanowisku produkcyjnym MSR (rys. 3). W obu przypadkach jest to struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu.
Badania strukturalne mechanizmu odkształcenia na zimno stali... 173 a) b) Rys 2. Mikrofotografie świetlne mikrostruktury wyrobu po ulepszaniu cieplnym (hartowanie z temperatury 970 C, odpuszczanie w temperaturze 660 C) i zgniataniu na zimno na stanowisku doświadczalnym FPS (stal z wytopu VAD); struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu na przekroju ścianki o grubości: a) 3 mm, b) 1,6 1,8 mm (pow. 800 ) Fig. 2. Microstructures of product after quenching and tempering (quenching from 970 C and tempering at 660 C) and after cold rotary extrusion on the experimental stand FPS (VAD steel). The structure of deformed and tempered martensite on the section thickness of 3 mm (a) and of 1.6 1.8 mm (b) (magn. 800 ) a) b) Rys. 3. Mikrofotografie świetlne mikrostruktury wyrobu po ulepszaniu cieplnym (hartowanie z temperatury 970 C, odpuszczanie w temperaturze 660 C) i zgniataniu na zimno na stanowisku produkcyjnym MSR (stal z wytopu EPŻ); struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu na przekroju ścianki o grubości: a) 3 mm, b) 1,5 mm (pow. 800 ) Fig. 3. Microstructures of product after quenching and tempering (quenching from 970 C and tempering at 660 C) and after cold rotary extrusion on the industry stand MSR (ESR steel). The structure of deformed and tempered martensite on the section thickness of 3 mm (a) and of 1.5 mm (b) (magn. 800 ) Struktura wyrobów po ulepszaniu cieplnym w obu zastosowanych wariantach wytapiania stali składała się z martenzytu wysoko odpuszczonego. Po zgniataniu na zimno struktura była różna pod względem stopnia jednorodności i stopnia rozdrobnienia. Bardziej jednorodna i bardziej rozdrobniona była struktura ze stali przetapianej elektrożużlowo (EŻP) zgniatana obrotowo na stanowisku produkcyjnym MSR. Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono przykłady struktur obserwowanych pod mikroskopem skaningowym. Na rysunku 4 przedstawiono strukturę stali wytapianej z zastosowaniem obróbki VAD, zgniatanej obrotowo na zimno na stanowisku doświadczalnym FPS.
174 J. Stępień a) b) c) d) Rys. 4. Mikrofotografie skaningowe mikrostruktury wyrobu po ulepszaniu cieplnym (hartowanie z temperatury 970 C, odpuszczanie w temperaturze 660 C) i zgniataniu na zimno na stanowisku doświadczalnym FPS (stal z wytopu VAD); struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu na przekroju ścianki o grubości: a) 3 mm, b) 1,6 1,8 mm Fig. 4. The scanning microstructures of product after quenching and tempering (quenching from 970 C and tempering at 660 C) and after cold rotary extrusion on the experimental stand FPS (VAD steel). The struct. of deformed and tempered martensite on the section thickness of 3 mm (a) and of 1.6 1.8 mm (b) a) b) c) d) Rys. 5. Mikrofotografie skaningowe mikrostruktury wyrobu po ulepszaniu cieplnym (hartowanie z temperatury 970 C, odpuszczanie w temperaturze 660 C) i zgniataniu na zimno na stanowisku produkcyjnym MSR (stal z wytopu EPŻ); struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu na przekroju ścianki o grubości: a) 3 mm, b) 1,5 mm Fig. 5. The scanning microstructures of product after quenching and tempering (quenching from 970 C and tempering at 660 C) and after cold rotary extrusion on the industry stand MSR (ESR steel). The structure of deformed and tempered martensite on the section thickness of 3 mm (a) and of 1.5 mm (b)
Badania strukturalne mechanizmu odkształcenia na zimno stali... 175 a) b) Rys. 6. Mikrostruktura obserwowana na TME po zgniataniu obrotowym na zimno na stanowiskach doświadczalnym FPS (a) i produkcyjnym MSR (b) w stalach VAD (a) i EŻP (b); uzyskano drobną strukturę zbudowaną z cienkich listew martenzytu odpuszczonego Fig. 6. TEM microstructures after cold rotary extrusion on the experimental stand of FPS (a) and industry stand of MSR (b). The fine-structure composed of thin lath of tempered martensite was obtained Na rysunku 6 przedstawiono strukturę wyrobów badanych elektronowym mikroskopem prześwietleniowym. W strukturze po zgniataniu obrotowym na zimno występują pasma odkształcenia ułożone przestrzennie w różnych kierunkach. Drobniejsze listwy martenzytu uzyskano w stali EŻP zgniatanej obrotowo na stanowisku produkcyjnym MSR. 5. PODSUMOWANIE Mikrostruktura niskowęglowej stali Cr-Mn-Mo-V przetapianej elektrożużlowo (stal EŻP) jest bardziej jednorodna i bardziej drobnoziarnista niż stali wytapianej z zastosowaniem pozapiecowej obróbki próżniowej (stal VAD), zarówno po ulepszaniu cieplnym jak i po zgniataniu obrotowym na zimno. Ponadto, w stali EŻP występuje znacznie mniejsza pasmowość wywoływana segregacją składu chemicznego (głównie C i Mn). Po zgniataniu obrotowym na zimno na stanowiskach doświadczalnym FPS i produkcyjnym MSR w stalach VAD i EŻP uzyskano drobną strukturę, która zbudowana jest z cienkich listew martenzytu odpuszczonego. W strukturze występują pasma odkształcenia ułożone przestrzennie w różnych kierunkach oraz węgliki chromu i molibdenu typu M 6 C (węgliki te spotykano bardzo często w stali VAD) i węgliki wanadu typu MC.
176 J. Stępień Drobniejsze listwy martenzytu uzyskano w stali EŻP zgniatanej obrotowo na stanowisku produkcyjnym MSR. Niskowęglowa stal Cr-Mn-Mo-V po hartowaniu z temperatury 970 C i odpuszczaniu w temperaturze ok. 660 C ma wydłużenie A 5 od 12,0 do 12,9% przy R m od 1114 do 1154 MPa, co spełnia założone kryteria: przy R m od 1080 do 1280 MPa A 5 10. Po odkształceniu na zimno wytrzymałość wzrasta do ok. 1500 MPa. 6. WNIOSKI Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski: 1. W wyniku zgniatania obrotowego na zimno niskowęglowej stali Cr-Mn- -Mo-V (15HGNMV), wytapianej elektrożużlowo i z zastosowaniem procesu VAD, uzyskuje się drobną strukturę zbudowaną z cienkich listw odpuszczonego martenzytu z pasmami odkształcenia rozmieszczonymi w różnych kierunkach w przestrzeni. 2. Z badań za pomocą TEM wynika, że zarówno stal VAD, jak i stal EŻP nie mają steksturowania i powinny wykazywać właściwości izotropowe. Nie występuje uprzywilejowany kierunek wydłużenia pasm odkształcenia w stosunku do kierunku i płaszczyzny płynięcia metalu podczas odkształcenia. 3. W wyrobach ze stali 15HGNMV po obróbce cieplnej obejmującej hartowanie z temperatury 970 C i odpuszczanie w temperaturze 660 C uzyskuje się strukturę wysoko odpuszczonego martenzytu, granicę wytrzymałości na poziomie 1114 1253 MPa i wydłużenie A 5 na poziomie 12,0 12,9% spełniające wymagania. 4. Wyroby ze stali 15HGNMV ulepszone cieplnie po zgniataniu obrotowym na zimno uzyskują granicę wytrzymałości w zakresie od 1155 do 1245 MPa stal VAD (grubość ścianki od 3 do 1,6 mm) i w zakresie od 1322 do 1527 MPa stal EŻP (grubość ścianki od 3 do 1,5 mm). 5. Stal 15HGNMV przetapiana elektrożużlowo (EŻP) pozwala na uzyskanie bardziej drobnoziarnistej struktury po ulepszaniu cieplnym niż stal wytopiona z zastosowaniem pozapiecowej obróbki próżniowej (VAD). Bardziej drobnoziarnista struktura stali EŻP podczas zgniatania obrotowego na zimno umożliwia uzyskanie większych odkształceń (ε = 1,4) niż stal VAD (ε = 1,2), a tym samym większych wartości wytrzymałości, korzystniejszych pod względem właściwości eksploatacyjnych wyrobów.
Badania strukturalne mechanizmu odkształcenia na zimno stali... 177 LITERATURA [1] AIR Nr 9160C071, norma francuska. [2] Stępień J., Paduch J., Wstępny dobór gatunku stali na kadłub silnika GRAD. Sprawozdanie IMŻ nr B- 01058 /BM/ 99, Gliwice 1999 (niepublikowane). [3] Stępień J., Paduch J., Bołd T., Dobór gatunku stali na wyroby specjalne, in: Badania i rozwój systemu BN-21 oraz nowoczesnej amunicji artyleryjskiej. Materiały konferencyjne, Kołobrzeg, 21 24 kwietnia 1999. Praca wpłynęła do Redakcji 23.03.2007 Recenzent: dr hab. inż. Jan Materniak STRUCTURAL INVESTIGATION OF THE DEFORMATION MECHANISM AFTER COLD ROTARY EXTRUSION S u m m a r y Microstructure low-carbon Cr-Mn-Mo-V electro-slag remelted (ESR) steel was more homogenous and more fine-grained than vacuum argon decarburization (VAD) steel. The same was found after quenching and tempering and after cold rotary extrusion. Also, ESR steel has more lower banding structure introduced by segregation of chemical composition (major C and Mn). After cold rotary extrusion on the experimental stand of FPS and industry stand of MSR, both VAD and ESR steels had a fine-structure, witch was composed of thin lath tempered martensite. In the structure deformation bands appeared arranged in space in different directions and carbides of chromium and molybdenum type M 6 C (this carbides often were found in the VAD steel) and carbides vanadium type MC. The fine laths of martensite received in the ESR steel were deformed on the industry stand MSR. The low-carbon Cr-Mn-Mo-V steel after quenching from 970 C and tempering at about 660 C has elongation A 5 = from 12.6 to 12.9% and strength R m = from 1114 to 1154 MPa and fulfils criteria of standards: R m = from 1080 to 1280 MPa, A 5 10. After cold rotary extrusion strength incrased to about 1500 MPa. Key words: rotary extrusion, cold deformation, structure, martensite, quenching and tempering
178 J. Stępień