VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ A MIKROLEGOVÁNÍ NA MIKROSTRUKTURU A VLASTNOSTI LITÝCH MANGANOVÝCH OCELÍ

Transkript

1 VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ A MIKROLEGOVÁNÍ NA MIKROSTRUKTURU A VLASTNOSTI LITÝCH MANGANOVÝCH OCELÍ INFLUENCE OF HEAT TREATMENT AND MICROALLOYING ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF ČÁST MANGANESSE STEELS Josef Kasl Dagmar Jandová a Stanislav Němeček Libor Kraus b a ŠKODA VÝZKUM s.r.o.,tylova 57, Plzeň, ČR, josef.kasl@skoda.cz, dagmar.jandova@skoda.cz b COMTES FHT s.r.o., Lobezská E951, Plzeň, ČR, snemecek@comtesfht.cz, lkraus@comtesfht.cz Abstrakt V práci byla sledována možnost zlepšení mechanických a křehkolomových vlastností nízkouhlíkové manganové oceli pro tenkostěnné odlitky prostřednictvím mikrolegování a tepelného zpracování. Oceli (s obsahem 0,15 C a 1,2 Mn) byly mikrolegovány vanadem, titanem a niobem a podrobeny rozpouštěcímu žíhání. U materiálů byly sledovány mechanické vlastnosti a mikrostruktura pomocí světelné a elektronové mikroskopie. Jsou diskutovány precipitační procesy v jednotlivých ocelích a možnost výběru z jednotlivých variant pro další optimalizaci vlastností ocelí tepelným zpracováním. Abstract The possibility of mechanical properties improvement in cast low carbon manganese steels for thin-walled castings via appropriate microalloying and heat treatment was studied. The steels (0.15 C and 1.2 Mn) microalloyed by vanadium, titanium and niobium were undergone the solution heat treatment. Mechanical testing and detailed microstructural analyses were performed using light, transmission and scanning electron microscopy. Precipitation processes in individual steels were discussed and the steel with the most promising composition was selected for following experiments. 1. ÚVOD Mikrolegování a volba vhodného tepelného zpracování výkovků mohou vést k výraznému zvýšení pevnostních vlastností ocelí při současném zachování dobrých křehkolomových vlastností. U nízkolegovaných ocelí s malou příměsí vanadu, titanu a niobu je dosahováno meze kluzu v rozsahu od 350 do 700 MPa, tedy na úrovni zhruba dvojnásobku úrovně pro obvyklé uhlíkové oceli. Přitom dostatečná houževnatost a svařitelnost umožňují široké použití těchto ocelí při výrobě dopravních prostředků, potrubí, tlakových nádob a ve stavebnictví [1]. Požadované vlastnosti těchto ocelí jsou dosaženy válcováním za tepla a následným řízeným ochlazováním. Jejich mikrostruktura je feritická s malým podílem perlitu. Zvýšení hodnot mechanických vlastností je dosahováno zjemněním feritického zrna doplněným precipitačním a/nebo dislokačním zpevněním. Obecně se předpokládá zpevnění částečně koherentními precipitáty, které nukleují ve feritu během nebo po fázové transformaci γ α. Precipitace karbonitridů v ocelích legovaných niobem [2], niobiem/vanadem [3] and titanem [2] vedla ke zpevnění až o 200 MPa. Precipitace v austenitu vede rovněž ke zjemnění zrna, 1

2 snižuje však množství příměsí v tuhém roztoku, které je k dispozici pro následnou precipitaci ve feritu [4,5,6]. Některé poslední studie ukazují, že i precipitace v austenitu může přispět ke zpevnění a jeho velikost může být srovnatelná s příspěvkem precipitátu nukleujícího ve feritu [7,8,9]. Vliv mikrolegování lze rovněž využít u litých ocelí. Při nepřítomnosti deformačního zpevnění přitom lité ocele při srovnatelné pevnosti vykazují zlepšené chování při provozu za zvýšených teplot. Pro lité ocele je zvláště důležitá volba chemického složení a tepelného zpracování, aby bylo dosaženo vhodné kombinace precipitačního zpevnění a zpevnění hranicemi zrn při dostatečné houževnatosti a při dobrých technologických parametrech.. Tento článek se věnuje vlivu mikrolegování vanadem, titanem a niobem a různých variant rozpouštěcího žíhání na mechanické vlastnosti (sledované na parametru meze kluzu) a křehkolomové vlastnosti (hodnocené pomocí teplotní závislosti vrubové houževnatosti nebo podílu křehkého lomu, ze kterých lze určit přechodovou teplotu) lité nízkouhlíkové manganové oceli. Práce navazuje na studium litých ocelí pro silnostěnné odlitky vyvíjené pro kontejner na vyhořelé jaderné palivo [10]. 2. EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Pro ověření vlastností bylo odlito šest experimentálních taveb ve formě desek o rozměrech 700x250x40 mm lišících se obsahem legujících prvků. Na základě teoretického rozboru a výsledků předchozích analýz bylo vedle srovnávacího nelegovaného stavu vybráno pět kombinací příměsí vanadu, niobu a titanu. Výsledné chemické složení jednotlivých taveb je uvedeno v tabulce 1. Z odlitých desek byly vyděleny bloky, které byly v prvním kroku podrobeny rozpouštěcímu žíhání v oboru teplot od 930 C do 1150 C, které mělo zajistit různou úroveň rozpuštění primárních karbonitridů legujících prvků. Podmínky tepelného zpracování jsou shrnuty v tabulce 2. Mechanické a křehkolomové vlastnosti odlitků po tepelném zpracování byly určovány pomocí tahových zkoušek a instrumentovaných zkoušek vrubové houževnatosti. Přechodová teplota byla stanovena z průběhu síly v závislosti na čase při rázových zkouškách jako teplota FATT 50. Mikrostruktura materiálů byla hodnocena pomocí světelné mikroskopie; kvantitativní hodnocení obsahu jednotlivých strukturních složek a velikosti zrna bylo provedeno pomocí systému obrazové analýzy Lucia. Při měření parametru velikost zrna byly započítávány jak feritická zrna tak perlitické nodule. Precipitační procesy byly hodnoceny pomocí transmisní elektronové mikroskopie tenkých fólií.. Ty byly připravovány tryskovým elektrolytickým ztenčováním v 6 % roztoku HClO 4 v metanolu při teplotě 40 C a napětí 24 V. Tabulka 1 Chemické složení studovaných mikrolegovaných ocelí. Table 1 - Chemical composition of investigated microalloyed steels. Ocel C Mn Si P S Cu Ni V Ti Nb Al N < 0.01 < < 0.01 < < 0.01 < < <

3 Tabulka 2 Použité tepelné zpracování. Table 2 - Heat treatment conditions of the steels used. Ocel Stav Rozpouštěcí žíhání C/2hod/ voda 2,4, , 4.1, C/2 hod/voda 2.2, 4.2, C/2 hod/voda 2.3, 4.3, C/2 hod/voda C/2 hod/voda C/2 hod/voda C/2 hod/voda C/2 hod/voda 3. VÝSLEDKY 3.1 Mechanické vlastnosti Příměsi vanadu, niobu a titanu a jejich kombinací se výrazně projevily na změnách mechanických a křehkolomových vlastnostech shrnutých v tabulce 3. Mez kluzu se měnila v rozmezí od 380 MPa do 476 MPa a pevnost od 581 MPa do 687 MPa. Pevnostní parametry se zvyšují s rostoucí teplotou rozpouštěcího žíhání u ocelí legovaných vanadem a niobem a oběma prvky. Opačný trend byl u ocelí legovaných titanem. Hodnoty tranzitní teploty se měnily od 14 C do 40 C. Příznivější hodnoty jsou u ocelí žíhaných při nižších teplotách. Výrazný nárůst tranzitních teplot byl zaznamenán u stavů, u nichž došlo k rozpuštění podstatné části primárních karbonitridů. Hodnoty vrubové houževnatosti jsou relativně vysoké a jejich změny korespondují se změnami mechanických vlastností. Tabulka 3 Mechanické a křehkolomové vlastnosti a mikrostrukturní parametry. Table 3 - Mechanical properties and metallographic evaluation.. Vzorek (tavba/ rozp. ž.) Mez kluzu [MPa] Mez pevnosti [MPa] Vrubová houževnatost 20 C [Jcm -2 ] Přechodová teplota [ C] Podíl feritu [%] Velikost zrna [µm]

4 3.2 Mikrostruktura Metalografické výbrusy byly zhotoveny na přeražených zkouškách vrubové houževnatosti v rovině obsahující nejmenší rozměr odlité desky. Byla sledována mikročistota (v neleptaném stavu), množství a morfologie jednotlivých složek a velikost zrna. Výsledky jsou rovněž shrnuty v tabulce 3. Z hlediska běžně užívaných norem pro hodnocení mikročistoty (ČSN nebo DIN) je čistota sledovaných vzorků vcelku dobrá; je však třeba uvážit, že normy jsou určeny pro tvářené materiály. V materiálu jsou drobné většinou globulitické hlinitany, v některých případech s malým podílem vápníku, lokálně vytvářející drobné shluky. Pravidelně se vyskytují drobnější izolované a malé shluky tvořící sulfidy mnaganu a oxisulfidy. V malém množství byly zjištěny i oxidy manganu. Ve všech vzorcích legovaných vanadem jsou přítomny shluky sulfidů ve formě trsů tyčinek a globulí a eutektických útvarů (obr. 4). Ve vzorcích byly nalézány mikrořediny (mikrostaženiny o velikosti do několika málo desítek mikrometrů. Všechny vzorky vykazují obdobnou mikrostruktuiru tvořenou jemnozrnným feritem a perlitem s malým množstvím bainitu soustředěného do mezidendritických oblastí. Výraznější podíl bainitu byl nalezen u vzorků legovaných titanem a titanem - vanadem. Ukázky mikrostruktury jednotlivých vzorků jsou uvedeny na obr. 1. Ve velikosti zrna nedošlo k výrazným změnám (střední hodnoty se pohybovaly od 8 do 11 µm); tento parametr tudíž neodpovídá za výrazné změny pevnostních vlastností. Řídícím parametrem je množství mikrolegujících prvků v tuhém roztoku daným koncentrací prvků, rozsahem rozpuštění primárních karbonitridů a precipitací po rozpouštěcím žíhání (v daném případě omezeném zakalením po rozpouštěcím žíhání). Mikrolegující prvky rozpuštěné v austenitu mohou rovněž ovlivnit průběh transformace γ α, neboť výsledná mikrostruktura je tvořena různým podílem feritu a perlitu. U vzorků ocelí legovaných niobem, zejména při vyšší rozpouštěcí teplotě, po níž je více niobu v tuhém roztoku, se podíl perlitu výrazně snížil. V těchto vzorcích mikrolegovaných niobem a niobem - vanadem jsou v mikrostruktuře patrné při pozorování ve světelném mikroskopu relativně hrubé primární karbonitridy, často ve formě částic dendritického tvaru. Množství těchto částic výrazně klesá s rostoucí teplotou rozpouštěcího žíhání. Ve vzorcích mikrolegovaných titanem a titanem vanadem byly sporadicky nalézány primární karbonitridy kubického tvaru. Tenké fólie byly připraveny ze základní manganové oceli a oceli legované niobem. V základním stavu (bez mikrolegur) byl pozorován lamelární perlit a proeutektoidní ferit s jemnými částicemi koherentními s matricí ve tvaru destiček (obr. 2). Přestože byly získány z těchto částic difraktogramy, nepodařilo se je jednoznačně identifikovat. V oceli mikrolegované niobem byly nalezeny dvě skupiny precipitátů. Jemné částice s velikostí pod 10 nm přítomné ve feritu i v perlitu a relativně hrubší částice o rozměrech v rozmezí od 30 do 60 nm vyskytující se pouze v zrnech feritu (obr. 3). Tyto částice místně vytvářejí řádky. Pomocí elektronové difrakce je lze identifikovat jako karbonitridy (Fe,Nb)(C,N). 3.3 Fraktografie U vzorků zkoušek vrubové houževnatosti byl proveden fraktografický rozbor soustředěný na křehké středové oblasti lomových ploch. Základním mikromechanismem porušení je transkrystalické štěpení s malým podílem můstků transkrystalického tvárného porušení. Mezi velikostí a morfologií štěpných faset nebyly zásadní rozdíly. Interkrystalické štěpení nebylo u žádného vzorku nalezeno. Na lomových plochách bylo možno rovněž sledovat velikost, morfologii a rozložení jak vměstků, tak nerozpuštěných primárních karbonitridů. Na obr. 4 je příklad vzhledu sulfidických částic vyskytujících se v ocelích legovaných vanadem. Na obr. 5 je ukázka nerozpuštěných částic karbonitridů niobu dendritického tvaru. 4

5 Obr. 1 Mikrostrutura (světelná mikroskopie, původní zvětšení 100x) Fig. 1 Microstruture (light microscopy, original magnification x100) Ocel Rozpouštěcí žíhání C/2hod/voda C/2 hod/voda 1000 C/2 hod/voda 1070 C/2 hod/voda C/2 hod/voda 1150 C/2 hod/voda C/2 hod/voda 1000 C/2 hod/voda 1070 C/2 hod/voda C/2 hod/voda 1100 C/2 hod/voda C/2 hod/voda 1000 C/2 hod/voda 1070 C/2 hod/voda 6 5

6 Obr. 2 Submikrostrutura vz. 1.1 (TEM) Fig. 2 Micrograph, sample 1.1 (TEM) Obr. 3 Submikrostrutura vz. 3.1 (TEM) Fig. 3 Micrograph, sample 3.1 (TEM) 6

7 Obr. 4 Lomová plocha vz. 1.1 (ŘEM) Obr. 5 Lomová plocha vz. 3.1 (ŘEM) Fig. 4 Fracture surface, sample 1.1 Fig. 5 Fracture surface, sample 3.1 Sulfidy Nb(C,N) 4. DISKUSE A ZÁVĚRY 7

8 Rozpouštěcí žíhání bylo zvoleno jako první krok v tepelném zpracování ocelí, který měl přispět k výběru nejslibnějších variant mikrolegování a k volbě teploty normalizace. V dalším postupu výzkumu bude hodnocen vliv normalizačního žíhání a interkritického kalení s bez popouštění s cílem nalézt postup vedoucí pro danou ocel k vyváženému poměru pevnosti a houževnatosti. Po rozpouštěcím žíhání byly nejlepší mechanické hodnoty získány pro ocel mikrolegovanou niobem a vanadem. Pokud bylo provedeno legování pouze niobem, byla dosažena nejnižší hodnota tranzitní teploty a vysoká vrubová houževnatost, avšak pevnostní parametry zůstaly na úrovni nelegované oceli. Na tom se podílel i relativně velký podíl feritu v těchto ocelích, 4 a 18 % ve srovnání s % u ostatních ocelí, neboť perlitické nodule rovněž přispívají ke zpevnění. Částečná precipitace, ke které došlo po rozpouštěcím žíhání, přispěla ke zlepšení houževnatosti. Velikost zrna se u všech ocelí nijak výrazně neměnila. Nejjemnější zrno bylo nalezeno u ocelí mikrolegovaných vanadem, pravděpodobně jako výsledek přítomnosti karbonitridů a shluků sulfidů, které působí jako nukleační centra pro ferit. Navíc tvorba stabilních karbonitridů na bázi vanadu při dalším zpracování dává předpoklad vysokého příspěvku k pevnosti precipitačním zpevněním. Lomy zkušebních tyčí probíhaly u vzorků všech ocelí obdobným způsobem. Dominantním mikromechanismem v křehké oblasti bylo transkrystalické štěpení, zatímco interkrystalické štěpení nebylo zaznamenáno. Jako nejslibnější materiál byla vybrána ocel legovaná niobem a vanadem, u které je při dalším zpracování (normalizační žíhání, interkritické kalení, popouštění) očekáváno zlepšení pevnostních parametrů ve srovnání s nelegovanou ocelí. LITERATURA [1] M. Cohen and S.S. Hansen: in MiCon 78: Optimization of Processing, Properties and Service Performance Through Microstructural Control, ASTM STP 672, H. Abrams, G. N. Maniar, D. A. Nail, H. D. Solomon, Eds., American Society for Testing and Materials (1979) pp [2] T. Gladman, D. Dulieu and I. D. McIvor: in Microalloying 75, New York, NY, Union Carbide (1977), pp [3] H.-D. Bartholot, H.-J. Engell, W.Vordemesche and K. Kauf: Stahl Eisen, Vol. 91(1971), pp [4] H. J. Kestenbach and J. Gallego: Scripta Mater., Vol. 44 (2001), pp [5] E. V. Morales, J. Gallego and H.-J. Kestenbach: Phil. Mag. Letters, Vol. 83, No. 2 (2003), pp [6] D. Hernández, B. López and J. M. Rodriguez-Ibabe: Proc. Matertials Solution Conference 2002, 7-9 October 2002, Columbus OH, ASM International (2002), pp [7] M. D. C. Sobral, P. R. Mei and H.-J. Kestenbach: Mater. Sci. Engn., Vol. 367A (2004), pp [8] A. Itman, K. R. Cardoso and H.-J. Kestenbach: Mater. Sci. Technol., Vol. 13 (1997), pp [9] S. S. Campos, E. V. Morales and H.-J. Kestenbach: Metal. Mater. Trans., ol. 32A(2001), pp [10] J. Kasl, L. Kraus, S. Němeček: Mikrostruktura a vlastnosti lité oceli mikrolegované V a Ti po interkritickém zpracování. In Metal 2002 : 11. mez. metal. konference : květen Hradec nad Moravicí, Česká republika [CD-ROM]. Ostrava: Tanger: Květen,