plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

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 A5 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 A5 od 12,0 do 12,9% przy Rm od 1114
do 1154 MPa i spełnia założone kryteria: przy Rm = 1080 ÷ 1280 MPa A5 ≥ 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 A5 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: Rm = 1080 ÷ 1280 MPa i A5 ≥ 10 %, a po zgniataniu obrotowym na
zimno: Rm = 1380 ÷ 1500 MPa i A5 ≥ 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
Skład
wymagany
VAD
EPŻ
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Mo
V
Cu
Al
Ca
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
0,17
0,15
0,89
0,88
0,20
0,09
0,013
0,011
0,011
0,003
1,40
1,35
0,09
0,08
0,84
0,83
0,26
0,25
0,10
0,10
0,019
0,034
0,005
–
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: Rm, R0,2, twardość HB i A5. 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
Miejsce
pobrania próbki
cieplnej
1
2
3
Nr 1
H: 970°C
O: 660°C
Rm [MPa]
R0,2 [MPa]
A5 [%]
Twardość
HB
1241
1105
1253
1147
1020
1139
8,0
8,0
6,9
342
314
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]
3
1,6÷1,8
3
1,5
Twardość HV
330,327,330,330
351,348,348,349
380,380,380,383
441,441,441,437
Wartość
średnia
HV
329
349
381
440
Rm
[MPa]
R0,2 [MPa]
A5 [%]
1134
1001
1002
898
985
856
899
799
12,6
15,0
12,7
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 ...
a)
173
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)
c)
b)
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 ...
a)
175
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 M6C
(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 A5 od 12,0 do 12,9% przy
Rm od 1114 do 1154 MPa, co spełnia założone kryteria: przy Rm od 1080 do
1280 MPa A5 ≥ 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 A5 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 M6C (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 A5 = from 12.6 to 12.9% and strength Rm = from 1114 to 1154 MPa and fulfils
criteria of standards: Rm = from 1080 to 1280 MPa, A5 ≥ 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