VLASTNOSTI MIKROLEGOVANÝCH LITÝCH MANGANOVÝCH OCELÍ

Transkript

1 VLASTNOSTI MIKROLEGOVANÝCH LITÝCH MANGANOVÝCH OCELÍ Libor Kraus a, Stanislav Němeče b, Josef Kasl c a) COMTES FHT s.r.o., Borsá 47, , Plzeň, ČR, lraus@comtesfht.cz b) Nové technologie-výzumné centrum, Západočesá Univerzita v Plzni, Univerzitní 8, , Plzeň, ČR, snemece@ .cz c) ŠKODA VÝZKUM s.r.o., Tylova 57, Plzeň, ČR, jasl@vyz.ln.soda.cz Abstrat This wor deals with the intercritical heat treatment optimization of cast low carbon manganese steel. Steel is intended for low temperature application. Measurement of proposed austenitizing with the help of measuring thermal expansion of steel is described. Then classical heat treatment is compared with intercritical heat treatment from the point of view of obtaining proper microstructure and transition temperature. An influence of microadditions of Ti and V on properties of as-cast Mn steel (Czech Standard - ČSN grade) was studied. The paper introduce relationships among individual additions contents, mechanical property values and the real structure of samples. The material is proposed for the ŠKODA container using for radioactive waste storage. The development of a suitable steel for big castings (up to 60 t) which would achieve high value of Charpy-V toughness at low temperatures (up to 60 o C ) is one of our company s activities. The required properties both mechanical and economic were preliminarily satisfied by ČSN steel (similar steel as C23-45 BL ISO, GS-CK16 Germany, Gr LCC the USA). Low-alloyed ferritic-pearlitic manganese steel (1,00 1,60 % Mn, max. 0,12 % C) with binding value of Charpy-V toughness at low temperatures is concerned. It was necessary to develop a special heat treatment conditions for this steel and thus to ensure the reproducible achieving the values of Charpy-V toughness. In order to propose the heat treatment programme it was necessary to measure the steel transformation characteristics. Úvod Od rou 1985 se ve Šodě a.s. uvažuje o oceli ČSN jao o perspetivním materiálu pro nádoby ontejnerů na vyhořelé jaderné palivo. Jeho rozvoj je zaměřen na zvýšení hodnot vrubové houževnatosti (KV) v oblastech nízých teplot a reproduovatelné dosahování vysoé životnosti ontejneru. Pro dosažení těchto požadavů byly zvoleny dva způsoby zvýšení vality záladního materiálu nádoby ontejneru a to mirolegováním [1] a tepelným zpracováním. Po odlití zušební desy z ocele ČSN a jejím tepelným zpracováním v oblasti interriticých teplot [2], byly provedeny zušební experimenty mirolegování vanadem, niobem a titanem na malých odlitách o hmotnosti cca 1,5 g [3,4]. Bylo dosaženo zjemnění feriticého zrna (přibližně na polovinu), zvýšení meze luzu ze 300 na 400 MPa, zvýšení pevnosti R e /R m a zvýšení hodnot vrubové houževnatosti KV(-20 C). Na těchto malých vzorcích byly hlavně sledovány závislosti obsahu mirolegur na změně mechanicých vlastností jednotně tepelně zpracovaného materiálu

2 Experimentální program Pro ověření a případné další zlepšení dosažených výsledů byly odlity hmotné bloy 400x400x250 mm, blížící se reálné tloušťce stěny nádoby odlitu ontejneru. Byl optimalizován obsah mirolegujících prvů (zvoleny dvě úrovně) a oproti zušebním odlitům byl reduován počet odlitých bloů. Bloy lze rozdělit do 4 supin po dvou (s bimodálním obsahem uhlíu 0,12 resp. 0,25%-označeny písmenem A). První supina (bloy 1 a 1A) nejsou mirolegovány a simulují litý stav oceli ČSN , bloy 2 obsahují pouze přídave vanadu, bloy 3 naopa pouze přísadu Ti. Bloy ze supiny 4 mají zvýšen obsah Mn bez dalších legur - jedná se o opaování zouše dříve hodnoceného vzoru 11, terý jediný měl bainiticou matrici. Niob nebyl dále sledován, neboť jeho vliv při nízém obsahu byl podobný jao u titanu a při vyšším obsahu (asi 0,2%) vyazoval prudý poles vrubové houževnatosti za nízých teplot. Chemicý rozbor je uveden v tab.1. Při lití bloů 1 a 1A byla sledována teplota chladnutí termoeletricými snímači na vhodně zvolených místech s cílem zísat hodnoty teplot v závislosti na čase pro numericé modelování tuhnutí. Po rozřezu bloů na vzory o rozměrech 100x100x250 mm byla aždá sada vzorů, obsahující po jednom vzoru z aždého odlitého blou, tepelně zpracována 4 modifiovanými postupy pro zajištění fyziální simulace vlastností středu stěny reálného odlitu nádoby ontejneru po provedení finálního tepelného zpracování odlitu: TZ1 normalizačně žíháno s popouštěním: 930 o C/3h/100 o C.hod o C/12h/100 o C.hod -1 TZ2 zušlechtěno: 930 o C/3h/100 o C.hod o C/3h/pec 100 o C o C/12h/100 o C.hod -1 TZ3 interriticy aleno bez popouštění: 930 o C/3h/100 o C.hod o C/3h/pec 100 o C o C/3h/pec 100 o C TZ4 interriticy aleno s popuštěním: 930 o C/3h/100 o C.hod o C/3h/pec 100 o C o C/3h/pec 100 o C o C/12h/100 o C.hod -1 Tabula 1. Chemicé složení bloů vzore %C %Mn %Si %P %S %V %Ti 1 0,16 1,08 0,41 0,018 0,011 1A 0,27 1,01 0,38 0,018 0, ,16 1,16 0,31 0,019 0,010 0,13 2A 0,27 1,20 0,30 0,020 0,013 0,13 3 0,12 1,12 0,28 0,016 0,009 0,017 3A 0,26 1,12 0,27 0,018 0,010 0, ,14 2,0 0,28 0,017 0,010 4A 0,28 2,0 0,29 0,019 0,010 Z mechanicých zouše bylo provedeno měření vrubové houževnatosti s ompletním vyhodnocením tranzitní řivy aždé ombinace odlitého blou a tepelného zpracování a lasicá tahová zouša. Metalograficé hodnocení jednotlivých vzorů je v současné době doončováno a jeho výsledy budou prezentováno na onferenci

3 Disuse výsledů Mirolegování nemá výrazný vliv na mez luzu, přestože ji nepatrně zvyšuje. Vanad je v porovnání s titanem z tohoto hledisa příznivější, avša nejvíce je výslede ovlivněn obsahem uhlíu. Větší procento uhlíu znamená nárůst nejméně o 10%. Praticy stejná situace je pro mez pevnosti. Zatímco mirolegování má zanedbatelný vliv, zdvojnásobení obsahu uhlíu zvýší nejméně o 70 MPa (tj. asi 15%). Tažnost se nija dramaticy nemění. Ja lze očeávat, u vrubové houževnatosti je situace odlišná. Zvětšením obsahu uhlíu lesá hodnota KV (při TZ1 a TZ2 doonce téměř o polovinu). Pro nízý obsah uhlíu legování vanadem téměř zdvojnásobuje vrubovou odolnost, zatímco Ti ji nepatrně snižuje. Při vyšším obsahu uhlíu je opět přídave V velmi příznivý, ale v tomto případě jsou i účiny Ti příznivé (i dyž ne ta výrazné jao u vanadu). Ja V ta Ti snižují přechodovou teplotu, vliv vanadu je opět příznivější. Zvyšování obsahu uhlíu se projevuje negativně ve všech případech. Způsob tepelného zpracování se na a praticy neprojevil (s výjimou TZ3, de přísada Ti zlepšila ). Z hledisa přechodové teploty se jao příznivé jeví interriticé alení (TZ3 a TZ4), terým dosahujeme zjemnění zrn a zrovnoměrnění mirostrutury materiálu. Pro mirolegované vzory je nejlepší vrubová houževnatost dosažena po TZ4, stejně jao pro nelegované vzory 1 a 1A. U tohoto tepelného zpracování se pozitivně projevuje vliv popouštění, přestože něteré literární prameny jeho vliv po interriticém alení udávají jao slabý , ; A , ; , ; A , ; , ; A , ; ; A , ;44 40 Tab.2 Mechanicé hodnoty pro tepelně zpracované vzory režimem TZ , ; A , ; , ; A , ; , ; A , ; , ; A , ;48 50 Tab.3 Mechanicé hodnoty pro tepelně zpracované vzory režimem TZ2 Přítomnost 2% Mn výrazně zvyšuje proalitelnost oceli (jinými slovy zvyšuje pevnostní vlastnosti), přechodová teplota sledovaného typu oceli vša zůstává nepříznivě - 3 -

4 vysoá (a tedy houževnatost materiálu velmi nízá). Tento materiál byl ovšem zařazen do experimentálního programu pro možnost sledování vlivu obsahu Mn na možnou stabilizaci zbytového austenitu po různém tepelném zpracování. Jeho využití pro možnost výroby odlitu nádoby ontejneru není velá, neboť by se jednalo o zcela jinou ocel, oproti možnosti mirolegování a zlepšení vlastností již navržené a schválené oceli [Mpa] , ; A , ; , ; A , ; , ; A , ; ; A.3 Vzory s vadou 7;7 105 Tab.4 Mechanicé hodnoty pro tepelně zpracované vzory režimem TZ3 [Mpa] , ; A , ; , ; A , ; , ; A , ; ; A , ;43 40 Tab.5 Mechanicé hodnoty pro tepelně zpracované vzory režimem TZ4 Výbrusy byly připraveny na přelomených vzorcích po zoušce rázem v ohybu, olmo lomové ploše. Byl sledován podíl perliticé složy ve feriticé matrici a veliost zrna s využitím analyzátoru digitálního obrazu Lucia G. Výsledy jsou shrnuty v tabulce 6. vzore %P veliost zrna [Ø] vzore %P veliost zrna [Ø] ,7 18, ,7 8,1 1A.1 49,9 24,3 1A4 50,5 8, ,8 13,5 24 5,8 6,1 2A.1 50,5 13,7 2A4 50,1 5, ,8 17, ,8 7,9 3A.1 40,1 11,7 3A4 20,7 6,1 4.1 BAINIT 44 BAINIT 4A.1 4A4 Tab. 6 Veliost zrn a podíl perlitu u režimu TZ1 a TZ4-4 -

5 Závěr Pro nelegované vzory je lepších výsledů dosahováno při vyšším obsahu uhlíu. Nejvyšší pevnosti (a zároveň nejnižších tažností) mají vzory 4 s 2% Mn se záalnou struturou. Stejně jao nelegované vzory 1 vša mají vysoou přechodovou teplotu, terá je jedním z líčových parametrů pro nádoby. Z výsledů vyplývá, že mirolegování vhodně ovlivňuje dosahované mechanicé vlastnosti. Po normalizačním žíhání (TZ1) a zušlechtění (TZ2) nejvýrazněji vzrostly hodnoty mirolegovaných vzorů s vyšším obsahem uhlíu (ozn. A). Nejvyšší vrubovou houževnatost mají vzory 2 (mirolegované V s nízým obsahem uhlíu) bez ohledu na druh tepelného zpracování. Zvyšování obsahu uhlíu zlepšuje mez luzu a pevnosti, zároveň vša snižuje odolnost proti vrubovým účinům a zvyšuje přechodovou teplotu. Metalograficý rozbor potvrdil, že zdvojnásobení obsahu uhlíu způsobilo zvětšení objemového podílu perlitu (přibližně taé dvojnásobné). Současně zvýšení obsahu Mn zvýší proalitelnost, taže místo perlitu se v matrici objevují bainiticé oblasti. Interriticé alení (TZ4) se projevilo příznivě na veliost zrna. Ve srovnání s TZ1 jsou zrna asi poloviční, což mimo jiné znamená, že vliv tepelného zpracování je z tohoto pohledu významnější než vlastní mirolegování. Vanad zjemňuje zrna lité oceli o něco více než Ti. Obecně lze říci, že nejlépe se podařilo zlepšit vlastnosti (vrubovou houževnatost, přechodovou teplotu a zpevnění ) 1% Mn oceli mirolegováním 0,13% V při nízém obsahu uhlíu. Z použitých způsobů tepelného zpracování přináší nejlepší výsledy interriticé alení s popuštěním (TZ4), teré u vzorů 2.4 dosáhlo hodnoty tranzitní teploty 5 o C. Je nutné zdůraznit, že se jedná o hodnotu přechodové teploty nasimulovanou ve středových partiích stěny hmotného odlitu, tedy v nejnepříznivějším místě pro hodnocení vlastností. Z tohoto hledisa lze uvést, že dosažené hodnoty jsou velmi dobré a uplatnění tohoto typu tepelného zpracování v ombinaci s mirolegováním materiálu podílem vanadu dává reálný předpolad pro reproduovatelné dobré vlastnosti hmotných odlitů nádoby ontejneru pro uložení vyhořelého jaderného paliva. Literatura Tato práce byla zhotovena s podporou projetu Grantové agentury ČR č. 106/99/0643. [1] NĚMEČEK, S., KRAUS, L.: Technical report, Šoda search,ltd., VYZ 0357/99, Plzeň, [2] KRAUS, L., KASL, J., NĚMEČEK, S.: Proceeding Metal 2000, Ostrava [3] NĚMEČEK, S., KASL, J., KRAUS, L.: Proceeding Metal 2000, Ostrava [4] CEJP, J., MACEK, K., KADLEC, J., SMOLA, B.: Proceeding Metal 2000, Ostrava

6 Obr.1: 1.1 Obr.2: 1.4 Obr.3: 2.1 Obr.4: 2.4 Obr.5: 3.1 Obr.6:

7 Obr.7: 1A.1 Obr.8: 1A.4 Obr.9: 2A.1 Obr.10: 2A.4 Obr.11: 3A.1 Obr.12: 3A.4-7 -