, Ostrava, Czech Republic

Transkript

1 KOVÁNÍ MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ S VANADEM Miroslav Greger VŠB Technická univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, 7. listopadu 5, Ostrava Poruba, ČR miroslav.greger@vsb.cz Abstrakt For more than twenty yars the classical quench and tempering of medium carbon steels has ben substituted in the production of drop-foeged parts for the automotive industry by a direct continuous cooling of the less expensive V-microalloyed steels with lower carbon content. However, this siplified treatment has serious limitations concerning the yield strength and ductility if compared with the properties after quench and tempering. The paper is focused on the particular contributions of a different microalloying in the optimized deformation schedules to improve mechanical properties. The aim of this additional microalloying is to acieve a more distibution of ferrite in the final multi-phase microstructure due to a proper austenite conditioning as well as to make a full use of the strengthening potential of vanadium in these forging steel grades.. ÚVOD Běžně používané způsoby zvyšování mechanických vlastností výkovků pro automobilový průmysl, jako např. použití vyšších přísad legujících prvků nebo tepelné zpracování u výkovků ze středně uhlíkových ocelí, obvykle u tohoto sortimentu nepřináší požadované efekty. Zvyšování pevnostních a dalších vlastností u této skupiny výkovků naráží především na požadavky přijatelné ceny. V důsledku prudce stoupajících cen energií v posledních letech se ukazuje jako nutné omezit nebo zjednodušit tradičně používané způsoby kování tepelného zpracování výkovků. Využití mikrolegovaných ocelí pro výkovky směřuje k přizpůsobení vlastností výkovků požadavkům zpracovatelského průmyslu. Při výrobě výkovků z mikrolegovaných ocelí to přináší snížení výrobních a zpracovatelských nákladů zjednodušením výrobních postupů (obr. ), lepší využití materiálu přizpůsobením jeho vlastností vlastnostem strojírenského výrobku, zajištění kvality přesnou definicí požadovaných vlastností a optimálním sestavením technologie kování, cílevědomým dosažením a účelnou kontrolou vlastností. Výkovky z podeutektoidních ocelí mikrolegovaných vanadem jsou převážně používány na součásti pro stavbu vozidel a strojů.. OCELÍ PRO VÝKOVKY Oceli pro výkovky můžeme podle požadavků na dominantní mechanické vlastnosti roztřídit podle několika hledisek. Používá se třídění podle meze kluzu, dosažené úrovně pevnosti, odolnosti proti křehkým lomům, podle parametru tvařitelnosti, hodnoty zaručené svařitelnosti apod. V praxi se často používá rozdělení podle pevnostních vlastností. Pevnostní vlastnosti do určité míry závisí na způsobu výroby daného výkovku. Podle způsobu zpracování lze výkovky roztřídit na dodavané ve stavu po : normalizačním žíhání, zušlechtění, řízeném kování, řízeném kování a ochlazování. - -

2 Obr. Schéma kování výkovků z běžných a mikrolegovaných ocelí U výkovků s vyšší pevností vyrobených z mikrolegovaných ocelí dodávaných ve stavu po řízeném kování a ochlazování je možný případný ohřev bez snížení pevnostních vlastností jen do teplot kolem A c. Řízené kování a ochlazování poskytuje při cenově výhodnějších podmínkách vyšší užitné vlastnosti výkovku, avšak tato technologie není vhodná pro výkovky, které mají být ohřívány na vyšší teploty při následujícím zpracování (svařování apod.) Při ohřátí na vyšší teploty by se u těchto ocelí snížila pevnost a částečně by se eliminoval příznivý efekt řízeného kování. Z fyzikálně metalurgického hlediska je nejpodstatnější rozdělení ocelí pro výkovky podle struktury : se sníženým podílem perlitu, dvoufázové, s acikulární strukturou. 3. POŽADAVKY NA STRUKTURU VÝKOVKŮ Struktura musí vyhovovat požadavkům na tvařitelnost, stejně jako požadavkům na pevnostní a křehkolomové vlastnosti. Podmínkou vysokých plastických vlastností je snížení podílu perlitu ve struktuře a jeho rovnoměrná distribuce ve feritu. Nevhodné je řádkové uspořádání perlitu. Důležitá je kontrola hodnoty precipitačního zpevnění, které snižuje hodnotu exponentu deformačního zpevnění a tím i schopnost zachovávat homogenní deformaci při tváření. Pro dosažení vysokých pevností se využívá substituční zpevnění manganem a křemíkem a zjemnění feritického zrna přísadami mikrolegujících prvků. Další zlepšení kombinace pevnostních a křehkolomových vlastností se dosahuje náhradou perlitu ve struktuře podílem bainitu, resp. martenzitu. Nejvyšší pevnosti se dosahuje využitím jemné struktury acikulárního feritu. Maximalní zjemnění struktury a požadované fázové složení vysoce pevných ocelí pro výkovky lze dosáhnout pouze při vhodné volbě oceli, optimálním režimu řízeného kování a ochlazování, případně v kombinací s následným tepelným zpracováním. 4. VLASTNOSTI VÝKOVKŮ Studium strukturních charakteristik výkovků pro vyšší pevnosti přispělo k možnosti matematického řešení funkčních závislostí pevnosti a meze kluzu na strukturních charakteristikách ocelí. U klasických ocelí po normalizačním žíhání se vychází ze základního Hall-Petchova vztahu, který je upraven pro výpočet hodnoty pevnosti pro feriticko-perlitické oceli []: Rm = ( Mn) + 84,3( Si) + 3,9( perlit) + 7,9 d kde ( X) je obsah prvku, nebo příslušné fáze v oceli v hm. % d je velikost feritického zrna v mm Za rozhodující veličiny, které určují hodnotu pevnosti, lze považovat podíl perlitu ve () - -

3 struktuře, velikost feritického zrna a zpevnění tuhého roztoku vyvolané přítomností manganu a křemíku. Hodnoty meze kluzu závisí na velikosti zrna feritu a substitučním zpevnění tuhého roztoku. Pro stanovení hodnot meze kluzu uvažovaných ocelí v normalizovaném stavu lze použít vztah : Re = 06, + 33,( Mn ) + 85,7( Si) + 8, d () Pro výkovky z klasických ocelí, které se po kování tepelně nezpracovávají se součinitele u jednotlivých veličin v rovnicích () a () poněkud liší a pevnostní hodnoty se určí ze vztahů : Rm = 3,5 + 6,3( Mn) +,5( perlitu) + 3,4 d (3) Re = 83,5 +,4(% Mn ) + 0,3 d (4) Pro výkovky ze středně-uhlíkových ocelí s vyššími nároky na pevnostní hodnoty jsou zajímavé oceli se zvýšenou odolností proti křehkým lomům a příznivou kombinací dalších požadovaných vlastností. Jde především o tvařitelnost, svařitelnost, odolnost proti stárnutí apod. Zvyšování pevnostních vlastností změnou obsahu uhlíku, manganu nebo ostatních v úvahu přicházejících prvků, je většinou doprovázeno poklesem některých vyžadovaných vlastností. Znamená to, že zvyšování pevnostních vlastností úpravou uhlíkového ekvivalentu je u těchto ocelí značně omezeno. Při zvýšených obsazích legujících prvků se nepříznivě projeví cenové relace jejich případného použití. Vyšších pevnostních a dalších vlastností pro sortiment výkovků z feritickoperlitických ocelí lze dosáhnout řízením výsledné velikosti feritického zrna (obr. ). Přitom se využívá příznivého účinku mikrolegujících prvků, úpravy postupů kování a ochlazování výkovků z dokovacích teplot nebo současnou kombinace obou možností. 4.. Mikrolegované ocele Využití jemnozrnných ocelí s vyšší pevností pro výkovky je založeno na vlivu zpevnění nerozpuštěnými částicemi ve struktuře ocelí. Nejrozšířenější je použití přísad prvků jako např. V, Nb, Ti apod. Pokud se má využít maximálního efektu mikrolegujících prvků při zvyšování pevnostních hodnot a odolnosti proti křehkým lomům, je nutno postupně upravit technologie kování a ochlazování výkovků. Zpřísňují se tím sice podmínky zpracování v kovárnách, avšak výsledné vlastnosti výkovků toto zpřísnění vyváží. Obr. Vliv velikosti zrna na vlastnosti výkovků Studiu otázek použitelnosti mikrolegujících prvků pro středněuhlíkové konstrukční oceli a optimálních technologických postupů jejich využití v kovárnách se věnuje jak u nás tak i v zahraničí intenzívní a systematická pozornost. Z dosavadních výsledků lze např. stanovit použitelnost a vhodnost některých mikrolegujících prvků pro sortiment C- Mn ocelí s přihlédnutím k požadovaným materiálovým vlastnostem, ekonomickým a cenovým relacím [, 3]. Nejvyužívanější ocele s vyšší pevností v kovárnách lze rozdělit do několika skupin : - 3 -

4 ) C-Mn-Al-N ocele - uklidněné hliníkem, v normalizovaném stavu nebo po řízeném kování. Tranzitní teplota těchto ocelí představuje ve skutečnosti krajní možnou hranici v oboru jemnozrnných feriticko-perlitických ocelí. Hodnota meze kluzu je však u těchto ocelí poměrně nízká. ) C-Mn-V ocele - řízení podmínek kovaní nemusí být vždy prakticky proveditelné, zejména u větších výkovků a pokud nejsou dodrženy rychlosti ochlazování z dokovacích teplot. K dosažení požadovaných hodnot je v těchto případech nutné zařadit tepelné zpracování (normalizaci). V tomto případě mají ocele s vanadem přednost před ocelemi s niobem. Vanadové ocele mají větší náchylnost k hrubnutí zrna při překročení teplot mezní rozpustnosti vanadu v austenitu. Provozní opakovatelnost dosažení požadovaných vlastností je poměrně obtížná. 3) C-Mn-Nb ocele - ve stavu po řízeném kování. Niob má přednost před vanadem vzhledem k jeho menšímu potřebnému procentovému množství, aby se získal odpovídající účinek. Výsledné vlastnosti za přítomnosti Nb nejsou citlivé na výrobní rozmezí chemického složení oceli, především na obsahy (C, Mn, N). 4) C-Mn-Nb-V ocele - ve stavu po řízeném kování. Tato kombinace přísadových prvků prakticky využívá výhody obou předchozích případů a představuje možnost dosažení nejvyšších hodnot meze kluzu při vyhovujících hodnotách tranzitních teplot a to po řízeném kování a ochlazování. 5) C-Mn-Nb-Si ocele - uklidněné křemíkem, ve stavu po řízeném kování. Při dané kombinaci chemického složení se obvykle používá, niobu jako precipitačního prvku. 6) C-Mn-Al-V-Nb-N ocele - ve stavu po řízeném kování nebo po normalizačním žíhání. Tyto ocele se vyznačují nízkými hodnotami tranzitní teploty při zvyšené hodnotě meze kluzu dosahované precipitačním zpevňováním při zachování požadované úrovně obou vlastností. Představují prakticky optimální kombinaci chemického složení u ocelí pro výkovky. 7) C-Mn-Al-Si-V-Nb-N ocele - ve stavu po řízeném kování a ochlazování. Tyto ocele představují prakticky maximální hranici dosažitelných hodnot meze kluzu u jemnozrnných feriticko-perlitických ocelí. U uvedených typů ocelí ocelí lze vedle řízených podmínek kování (teploty, úběry, prodlevy) očekávat další zvýšení mechanických vlastností v souvislosti s řízenými podmínkami ochlazování z dokovacích teplot Ocele s vanadem ( popř. s vyšším obsahem dusíku ) Vanad se přidává do ocelí pro výkovky už více let. Používané oceli jsou uvedeny v tab.. Současně se začala využívat skutečnost, že ve vanadem mikrolegované oceli s vyšším obsahem dusíku (cca 0, % V, cca 0,0 % N) se dosahuje vyššího precipitačního zpevnění a zjemnění zrna než ve vanadové oceli s běžným obsahem dusíku [4]. Příčinou je vyšší stabilita VN než VC, ale i rozdíl v kinetice precipitace VN a VC. Ten způsobuje, že VN je dominující fází i když je dostatek vanadu pro tvorbu VC [5]. Složení karbonitridu vanadu VC x N y lze popsat rovnicí : % N % C KVN x L = exp x K x RT VC ( ) kde x + y = % N, % C jsou hmotnostní procenta prvků v tuhém roztoku K VN, K VC jsou hodnoty rozpustnosti VN, resp. VC L je konstanta R je plynová konstanta T je teplota (5) - 4 -

5 Je doloženo [6], že x je závislé ve vanadem mikrolegovaných ocelí pouze na poměru obsahu dusíku a uhlíku v oceli a nezávisí na obsahu vanadu. Zvýšený obsahu dusíku ve vanadové oceli způsobuje intenzivnější precipitaci VC x N y v austenitu a také během transformace austenitu na ferit. Výsledkem je jemnější staticky rekrystalizované zrno a vyšší poměr velikosti zrna austenitu k sekundárnímu zrnu feritu [7]. Zvýšením teploty rozpustnosti karbonitridů vanadu se výrazněji brzdí i růst zrna během normalizačního žíhaní. V poslední době se kombinace V-N využívá společně s malým obsahem Ti, příp. s Nb. Tabulka. Vybrané oceli s vanadem používané pro výkovky Značka Chemické složení oceli [%] oceli C Mn Si Cr Ni Mo V P S 40 0,3 0,38 0,6 0,85 0,7 0,37 0,0 0,5 0,0 0,3-0,08 0,5 0,00 0,035 0,00 0, ,7 0,3 0,56,0 0,5 0,6 0,5 0,3 0,8 0,8, 0, 0,35 0,00 0,035 0,00 0, ,36 0,46,5 0,5 0, ,07 0,5 0,00 0,035 0,00 0, ,8 0,4 0,8, 0,5 0,4 0,0 0,5,,8-0, 0,5 0,00 0,035 0,00 0, ,8 0,5 0,4 0,85 0, 0,4,4 0,8, 0,6 0,8 0,03 0,08 0,00 0,03 0,00 0, ,35 0,43 0,95,35 0, 0,45 0,95,35-0, 0,3 0,5 0,3 0,00 0,04 0,00 0,04 DIN 0,7 0,5 0,3 0,6 0,3 0,6,,5 0,0 0,6,0, 0,5 0,35 0,00 0,035 0,00 0, , 0,7,,5 0,5 0,4,4, , 0,5 0,00 0,04 0,00 0, ,47 0,55 0,7,0 0,5 0,4 0,9, 0,0 0,3-0, 0, 0,00 0,035 0,00 0, ,4 0,3,0,3 0,7 0,37 0,6 0, , 0, 0,00 0,035 0,00 0, ,3 0,4 0,7 0,7 0,37 0,7, - - 0, 0, 0,00 0,035 0,00 0, ,55 0,6 0,8, 0,7 0,37 0,9, - - 0, 0, 0,00 0,035 0,00 0, ,75 0,85,85,5 0,5 0, , 0, 0,00 0,03 0,00 0, EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ VLIVU DOKOVACÍCH TEPLOT NA STRUKTURU OCELI MIKROLEGOVANÉ VANADEM Vliv dokovacích teplot a velikostí deformace na strukturu bylo ověřováno na oceli, jejiž chemické složení je uvedeno v tab.. Z hlediska chemického složení přibližně odpovídá oceli tř. 3 4, její struktura je feriticko perlitická. Ověřovaná ocel na bázi C- Mn je mikrolegovaná vanadem a dusíkem a vyznačuje se poměrně vysokými pevnostně plastickými vlastnostmi v kombinaci s vyhovujícími křehkolomovými charakteristikami. Pevnostní a plastické vlastnosti jsou dány především objemovým podílem perlitu, velikostí zrna a precipitačním vytvrzením. Výsledná struktura a odpovídající mechanické vlastnosti byly dosaženy přímo, po deformaci (ε h = 5 %), a řízeném ochlazování vzduchem. Tabulka. Chemické složení oceli v % C Mn Si P S V N 0,4,6 0,3 0,0 0,05 0, 0,05 Mikrostukturní změny, ke kterým dochází v závěrečné kování je nutné posuzovat v souvislosti s kinetikou restauračních procesů. V provozních podmínkách začíná etapa dokování ocelí mikrolegovaných vanadem pod teplotou 900 o C. Obr. 3 znázorňuje závislost teploty na čase potřebném pro 0 % statickou rekrystalizaci mikrolegovaných ocelí V a nízkolegované C-Mn oceli při shodném chemickém složení základní matrice a po deformaci 5 %. Z obr. 3 je zřejmé výrazné potlačení rekrystalizace u této vanadem mikrolegované ocelí. Lze předpokládat, že brzdění statické rekrystalizace je vyvoláno přítomností deformačně indukovaných precipitátů V (C, N), resp. VN a jejich vzájemnou interakcí s dislokacemi [8]

6 TEPLOTA [ o C ] Je zřejmé, že statická rekrystalizace při dokování mikrolegovaných ocelí s V při teplotách pod 850 o C je výrazně potlačena. Rovnoosá austenitická zrna, která vznikla po rekrystalizaci a růstu v průběhu prodlevy před dokováním (obr.5) se v důsledku závěrečných deformací nízké rekrystalizační rychlosti deformují a prodlužují ve směru toku kovu (obr.6). Rychlý pokles teploty, ke kterému dochází především při dokování tenkých výkovků a snížení vnitřní energie procesem zotavení v přestávkách mezi jednotlivými deformacemi zpomaluje průběh dynamické rekrystalizace. C- Mn 0, ČAS [ s ] 0, V Obr. 3 Počátek statické rekrystalizace oceli mikrolegované vanadem C - Mn oceli Podle [9] po dokování lze ve struktuře ocelí mikrolegované vanadem pozorovat deformované oblasti tvořené shluky prodloužených subzrn uvnitř původních austenitických zrn. Četnost výskytu těchto oblastí se zvyšuje s rostoucími úběry při dokovávání. Růstem subzrn a jejich koalescencí vznikají nové vysokoúhlové hranice. Tyto hranice spolu s původními hranicemi austenitických zrn představují potenciální místa feritické nukleace při transformaci austenitu na ferit. Při dokování při 900 o C byla dosažena rovnoosá zrna. Snížení dokovací teploty vede k protažení zrn ve směru převládajícího toku kovu. Ze srovnání struktur před kováním (obr. 4) a po dokování při vyšších teplotách (obr. 5) je zřejmé zjemnění a zrovnoměrnění zrna Obr. 4 Výchozí struktura mikrolegované oceli s V Obr. 5 Struktura oceli mikrolegované V po kování při teplotě 900 o C Obr. 6 Struktura oceli mikrolegované V po kování při teplotě 800 o C

7 6. ZÁVĚR V zahraničních kovárnách jsou v současné době technologie kování mikrolegovaných ocelí poměrně značně rozšířeny. Vzhledem k používaným technologiím je obvykle nutné vybavit kovárnu současnějším technickým zařízením a také účinnějšími systémy řízení technologického postupu kování (IKS), které umožňují lepší rozdělení jednotlivých deformací a rovněž řízení chladicích prodlev během kování, včetně intenzivního ochlazení po dokování. V kovárenské praxi v zahraničí jsou již rovněž značné rozšířeny technologie kování vysokopevnostních středněuhlíkových svařitelných ocelí s využitím řízení velikosti austenitického zrna. Jedná se o ocelí a technologie využívající především mikrolegujících přísad V, Nb, Ti popř. Zr. U středněuhlíkových mikrolegovaných ocelí lze nejvyšších pevnostních hodnot při současně nejvyšších hodnotách tranzitních teplot křehkého lomu dosáhnout při řízeném kování a řízeném ochlazení z dokovacích teplot. Praktické uplatnění uvedených technologií v provozních podmínkách nedosáhlo však v našich kovárnách většího rozšíření. Problematika řízeného kování mikrolegovaných ocelí je proto předmětem stálé pozornosti kovárenské veřejnosti. V naších kovárnách probíhá využití nových jakostí středněuhlíkových vysokopevnostních ocelí zvolna. První zmínky o využití mikrolegovaných ocelí a řízeném ochlazování výkovku po dokování pocházejí z kovárny MB Mladá Boleslav a Kovárny Praga Praha [0]. Vývoj nových technologií kování probíhá současně s vývojem středněuhlíkových konstrukčních ocelí. Tak např. Lahvárna, s.r.o. Ostrava využívá především dokovacích teplot ke kalení koulí a tím dosažení zejména vyšších pevnostních hodnot. Nové technologie jsou zaváděny především proto, aby se dosáhlo vysokých pevnostních hodnot výkovků bez nutnosti zvláštního ohřevu pro tepelné zpracování. Při optimálních postupech kování lze dosáhnout,5 až násobných pevnostních hodnot při vyhovujících hodnotách tažnosti. Práce vznikla v rámci řešení grantového projektu č. 06/00/059 za finanční podpory Grantové agentury ČR LITERATURA [] Žídek M.: Metalurgická tvařitelnost oceli za tepla. VŠB-TU Ostrava. Ostrava 984, 6 s. [] Heinako R., Takahama K.: Steel Research,58, 4, ( 987), p. 6 [3] Lehnert W, et al.:stahl u. Eisen, 3, 6, (993), p. 03 [4] Tanaka T. : Proc. Int. Conf. Microalloying 95. Iron and Steel Society, Pittsburg 995, p. 65 [5] Gonzalez B.I. et al.: Steel Research 68, 997,, p. 534 [6] Kaspar R. et al.: Mater.Sci.Techn. 7 (99) p. 49 [7] Yamamoto S. et al.: Metallurg.Soc. AIME 98 p. 63 [8] Tatsumi K. et al.: Kawasaki Steel, Technical Report, 4, 5, (000), p. 48 [9] Adamczyk J. Inženieria materialowa 8,, (997), s. 44 [0] Greger M., Henžlík Z.: Výkovky z mikrolegovaných ocelí. In. Forming 99.VSB-TU Ostrava. Ostrava 999, s.7-7 -