INFLUENCE OF TEMPERING ON THE PROPERTIES OF CAST C-Mn STEEL AFTER NORMALIZING AND AFTER INTERCRITICAL ANNEALING. Josef Bárta, Jiří Pluháček

Transkript

1 VLIV POPOUŠTĚNÍ NA VLASTNOSTI LITÉ C-Mn OCELI PO NORMALIZACI A PO INTERKRITICKÉM ŽÍHÁNÍ INFLUENCE OF TEMPERING ON THE PROPERTIES OF CAST C-Mn STEEL AFTER NORMALIZING AND AFTER INTERCRITICAL ANNEALING Josef Bárta, Jiří Pluháček VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY,Ruská 2887/101, Ostrava - Vítkovice, Česká republika, josef.barta@vitkovice.cz, jiri.pluhacek@vitkovice.cz Abstrakt Byl studován vliv popouštění na vlastnosti odlitku z C-Mn oceli po normalizaci a po interkritickém žíhání. Bylo zjištěno, že zvyšování teploty popouštění po normalizaci vede jak k mírnému poklesu pevnostních vlastností, tak i k malému poklesu houževnatosti (KV). V případě, že je mezi normalizaci a popouštění zařazeno interkritické žíhání jsou dosahovány vyšší hodnoty pevnostních vlastností i houževnatosti. S rostoucí teplotou popuštění je však pokles pevnostních vlastností po interkritickém žíhání výraznější než po normalizačním žíhání a hodnoty houževnatosti se naopak zvyšují. Klíčová slova: litá ocel, interkritické žíhání, mechanické vlastnosti Abstract Influence of tempering on the properties of cast C-Mn steel after normalizing and after intercritical annealing was studied. It was found out that increase of tempering temperature after normalization results in slight decrease of strength properties as well as to small decrease of impact energy (KV). If intercritical annealing is inserted between normalizing and tempering, higher values of tensile strength, yield strength and impact energy are obtained but with increasing tempering temperature loss of tensile and yield strength is much higher and on the contrary the values of impact energy increase. Key words: cast steel, intercritical annealing, mechanical properties 1. ÚVOD Metoda interkritického žíhání (IŽ) spočívá v částečné austenitizaci, tedy v ohřevu oceli do oblasti teplot A c1 - A c3 s minimální, ale dostatečnou výdrží zajišťující optimální kombinaci mezi fázemi α a γ s ohledem na rozpouštění karbidů a redistribuci C. Při následujícím ochlazení transformuje pouze austenit v závislosti na rychlosti ochlazování na martenzit, bainit nebo perlit. Teplotu a dobu při IŽ je třeba volit tak, aby nedošlo vedle reaustenitizace k zhrubnutí karbidických částic. Tímto zpracováním ocelí se zlepšuje horní úroveň houževnatosti a teplota přechodu ke křehkému lomu [1]. Lze tak cíleně zvyšovat houževnatost ocelí, resp. s menšími náklady lze dosáhnout požadovaných hodnot v případě selhání konvenčního zpracování. Cílem této práce je porovnání výsledků mechanických vlastností lité C-Mn oceli popuštěné po normalizaci a po IŽ. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Pro experimenty byla zvolena zkouška o rozměrech 300x120x110/80 přilitá k 122 t odlitku z C-Mn oceli, jejíž chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Zkouška byla rozřezána na plátky o tloušťce cca 20 mm, které byly tepelně zpracovány režimy dle tabulky 2. Vypočtená teplota A c1 je 721 C a teplota IŽ byla zvolena 30 C nad touto teplotou.

2 Z každého segmentu byla vyrobena zkušební tělesa pro zkoušku tahem o Ø10 mm a zkoušky rázem v ohybu. Vždy byla provedena 1 zkouška tahem a 3 zkoušky rázem v ohybu, vše při teplotě +20 C. Ve vybraných případech byla hodnocena mikrostruktura po naleptání v 4% Nitalu na světelném, případně na řádkovacím elektronovém mikroskopu. Tabulka 1 : Kontrolní chemické složení přilitého bloku Table 1: Chemical composition of cast specimen C Mn Si P S Cu Ni Cr Mo Ti Al N 0,19 1,45 0,51 0,007 0,0011 0,14 0,19 0,11 0,04 0,010 0,023 0,007 Tabulka 2: Režimy tepelného zpracování Table 2: Heat treatment Režim č. Tepelné zpracování Obrázek struktury 1 Litý stav 1 a 2 940ºC/2 hod./vzduch 1 b 3 940ºC/2hod./vzduch + 870ºC/1 hod./vzduch 1 c 4 940ºC/2hod./vzduch + 870ºC/1 hod./vzduch C2 h/vzduch ºC/2hod./vzduch + 870ºC/1 hod./vzduch C2 h/vzduch 1 d, e 6 940ºC/2hod./vzduch + 870ºC/1 hod./vzduch C2 h/vzduch ºC/2 hod./vzduch C/2 hod/voda C/2 h/vzduch ºC/2 hod./vzduch C/2 hod/voda C/2 h/vzduch ºC/2 hod./vzduch C/2 hod/voda C/2 h/vzduch 1 f Velmi hrubozrnná struktura oceli v litém stavu je vidět na obr. 1 a. Při menším zvětšení byly patrné segregované oblasti, typické pro uhlíkové oceli s vyšším obsahem manganu. Mimo nerovnoměrná hrubá zrna feritu, zjištěná ve feriticko-perlitické matrici, bylo podél hranic licích zrn zjištěno feritické síťoví s občasnou Widmannstättenovou morfologií. Po normalizaci na teplotě 940 C došlo k odstranění licí struktury a k výraznému zjemnění feriticko perlitické struktury (obr. 1 b), druhou normalizací při nižší teplotě se velikost zrna ještě zmenšila (obr. 1 c). Ve všech uvedených strukturách byly patrné segregační oblasti nepravidelných tvarů, které po normalizaci transformovaly částečně na zákalnou strukturu. Popouštěním normalizované struktury došlo k její nevýrazné sferoidizaci, zákalná struktura byla popuštěna (obr. 1 d) a na hranicích feritických zrn byl lokálně zjištěn precipitát (obr 1 e). Interkritické žíhání s ochlazením ve vodě po normalizaci a s následujícím popouštěním vede k dalšímu zjemnění struktury, která je však tvořena převážně zákalnou popuštěnou složkou a feritem (obr. 1 f).

3 , Brno, Czech Republic, EU a) Litý stav (as cast) b) 940 C/vzduch c) 940 C/vzduch C /vzduch d) 940 C/vzduch C/vzduch C /vz. e) 940 C/vzduch C/vzduch C /vz. f) 940 C/vzduch C/voda C /vz. Obr. 1 Mikrostruktury po tepelném zpracování Fig. 1 Microstructures after heat treatment Rozdíl mezi jednou normalizací (940 C) a dv ěma normalizacemi (940 C C) se na pevnostních vlastnostech téměř neprojevil (Rm 671 a 679 MPa), ale v případě plastických vlastností a hodnot nárazové

4 práce došlo po druhé normalizaci k výraznému zlepšení uvedených vlastností. KV 37 a 50 J, tažnost 13,2 a 17,4%). Vliv popouštění na hodnoty meze pevnosti a meze kluzu po normalizaci (režimy č. 4 6) a po IŽ (režimy 7 9) jsou vidět na obr. 2, ze kterého vyplývá, že pevnost po normalizaci mírně klesá s teplotou popouštění pokles o 35 MPa. V případě, že ocel byla po IŽ ochlazena ve vodě, jsou hodnoty pevnosti mnohem vyšší, avšak s rostoucí teplotou popouštění dochází k prudšímu poklesu Rm (o 84 MPa). Na obr. 3 jsou vyneseny závislosti Re na Rm. Po normalizaci (1N a 2N) bez popouštění mají vzorky vyšší pevnost než po následném popouštění (2N+P). Po IŽ s ochlazením ve vodě jsou dosaženy vyšší hodnoty pevnosti i meze kluzu. Tyto vysoké pevnostní vlastnosti souvisí s přítomností většího podílu zákalné struktury, která odpovídá rychlému ochlazení malého vzorku z interkritické teploty v laboratorních podmínkách. V provozních podmínkách u rozměrnějších odlitků nedochází k tak rychlému ochlazování a dosahované pevnostní hodnoty jsou nižší. Výsledky z provozních režimů tohoto typu oceli jsou v obr. 3 označeny TZ1 a TZ2, přičemž TZ1 odpovídá normalizaci, kalení, IŽ a popouštění a režim TZ2 je ještě doplněn o žíhání na odstranění pnutí. Uvedené výsledky pevnostních vlastností po laboratorních i provozních tepelného režimech zpracování s využitím IŽ vykazují lineární závislost, která se liší od závislosti reprezentované pouze popuštěnou strukturou po normalizaci. Obr. 2 Vliv teploty popouštění na pevnostní vlastnosti Fig. 2 Influence of tempering temperature on strength properties Hodnoty nárazové práce se po dvojí normalizaci mírně snižují s rostoucí teplotou popouštění (obr. 4). To znamená, že u ocelí s feriticko perlitickou strukturou nedosáhneme vyšších hodnot nárazové práce zvyšováním teploty popouštění a to z důvodu precipitace a hrubnutí karbidické fáze na hranicích feritických zrn (obr. 1 e). Úroveň houževnatosti a tranzitní teplota je podle [2, 3] kontrolována právě tloušťkou karbidů na hranicích feritických zrn. V případě IŽ (režimy 7 9) dochází s rostoucí teplotou popouštění k zvyšování hodnot nárazové práce v souvislosti s popouštěním částečně zakalené struktury, jejíž pevnost se snižuje.

5 Obr. 3 Závislost meze kluzu na mezi pevnosti Fig. 3 Relationship between yield strength and tensile strength Obr. 4 Závislost nárazové práce na teplotě popouštění Fig. 4 Influence of impact energy on tempering temperature

6 ZÁVĚR Byl studován vliv změny struktury na vlastnosti lité C-Mn oceli po režimech tepelného zpracování zahrnujících normalizace, interkritické žíhání a popouštění. Normalizace vede k odstranění velmi hrubozrnné feriticko-perlitické licí struktury těžkého odlitku a k celkovému zjemnění zrna, druhá normalizace při nižší teplotě zrno dále zjemňuje. Interkritické žíhání s ochlazením ve vodě po normalizaci a s následujícím popouštěním vede k dalšímu zjemnění struktury, která je však u malých vzorků tvořena převážně zákalnou popuštěnou strukturou a feritem. Zvyšující se teplota popouštění feriticko-perlitické struktury po normalizacích vede jak k mírnému poklesu pevnosti, tak i k mírnému poklesu hodnot nárazové práce. Vyšší hodnoty nárazové práce jsou dosahovány při nižší teplotě popouštění, kdy ještě není rozvinuta precipitace karbidů na hranicích feritických zrn a ocel má vyšší pevnost. Po normalizaci, interkritickém žíhání a popouštění jsou pevnostní vlastnosti u malých vzorků vyšší než po normalizaci a popouštění, avšak pokles těchto vysokých hodnot meze pevnosti je s rostoucí teplotou popouštění výraznější, zejména při vyšších teplotách popouštění. Hodnoty nárazové práce se rostoucí teplotou popouštění zvyšují. LITERATURA [1.] Bárta, J., Korčák, A: Zkušenosti s interkritickým žíháním u různých typů ocelí, In Sborník z konference 21. dny tepelného zpracování, ISBN ,ECOSOND, 2006, s [2.] Cochrane, R.C.: Some effects of carbide particle size on the Charpy impact behaviour of normalized and stressrelieved C-Mn steels, In Effects of second-phase particles on the mechanical properties of steel, The Iron and Steel Institute London, 1971, [3.] Mintz, B., Vipond, R., Nassar, N.: Influence of intercritical annealing on strength and impact behaviour of steels. Materials Science and Technology, Vol. 9, 1993,