ASTM A694 F60 - TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ A MECHANICKÉ VLASTNOSTI ASTM A694 F60 HEAT TREATMENT AND MECHANICAL PROPERTIES Martin BALCAR, Jaroslav NOVÁK, Libor SOCHOR, Pavel FILA, Ludvík MARTÍNEK ŽĎAS, a.s., Strojírenská 6, 591 71 Žďár nad Sázavou, ČR, martin.balcar@zdas.cz Abstrakt Výroba masivních ocelových výkovků z mikrolegovaných ocelí hledá možnosti využití výhod spojených s přínosem aplikace mikrolegujících prvků a termomechanického zpracování v úrovni dosažených mechanických vlastností, známých z produkce plechů pásů a trubek. Příspěvek dokládá vliv teploty kalení na hodnoty mechanických vlastností a strukturu oceli F60 dle ASTM A694. Ověření vlivu kalící teploty přispívá k optimalizaci a stanovení komplexního způsobu tepelného zpracování mikrolegované oceli. Struktura a mechanické vlastnosti oceli po kalení představují výchozí a současně základní kritérium pro dosažení požadovaných mechanických vlastností při vhodně zvolené teplotě popouštění. Klíčová slova: A694 F605, HSLA oceli, kalení a popouštění Abstract Production of heavy steel forgings of microalloy steels seeks possibilities to take advantages associated with the benefit of application of microalloying elements and thermomechanical treatment at the level of mechanical properties attained, known from production of sheets, strips and tubes. The paper documents the influence of quenching temperature on values of mechanical properties and structure of F60 steel according to ASTM A694. Verification of quenching temperature influence contributes to optimization and determination of a complex method of microalloy steel heat treatment. Steel structure and mechanical properties after the quenching constitute initial as well as basic criterion to achieve requested mechanical properties at properly chosen tempering temperature. Keywords: A694 F605, HSLA steel, quenching and tempering 1. ÚVOD S rostoucími požadavky na vlastnosti konstrukčních ocelí dochází k rozvoji využití mikrolegujících prvků i v oblasti produkce výkovků a odlitků. Výroba masivních ocelových výkovků z mikrolegovaných ocelí neumožňuje bezprostředně využít výhod spojených s přínosem aplikace mikrolegujících prvků a termomechanického zpracování známých z produkce plechů, pásů a trubek. Proces tváření a tepelného zpracování se v případě produkce ocelových výkovků v porovnání s tenkostěnnými výrobky (plechy, pásy, trubky) vyznačuje především rozdílnými podmínkami tváření a tepelného zpracování. Vývoj a ověření technologie výroby a zpracování oceli F60 dle ASTM A694 v podmínkách ŽDAS, a.s. představuje řadu technologických změn a zavedení nových procesních prvků v oblasti výroby oceli a následného termomechanického zpracování. Ověření vlivu teploty kalení na vlastnosti a strukturu tvářené oceli F60 přispívá k optimalizaci komplexní technologie výroby HSLA oceli ve ŽĎAS, a.s.
2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Ověření vlivu teploty kalení na strukturu a mechanické vlastnosti modifikované oceli F60 dle ASTM A694 vyrobené technologií EOP/LF/VD v podmínkách ŽĎAS, a.s. bylo provedeno na vzorcích výkovků o rozměrech (100 x 100 x 150)mm. Základní chemické složení oceli uvádí tabulka 1. Tab. 1: Základní chemické složení HSLA oceli F60 (hm. %) Table 1: Basic chemical composition HSLA steel F60 (hm. %) Modifikovaná ocel F60 dle ASTM A694 je typická svým nízkým obsahem uhlíku a přísadou legujících prvků, manganu, křemíku, niklu a molybdenu. Ocel je dále mikrolegována vanadem, hliníkem a niobem. Koncentrace ostatních prvků je na úrovni doprovodných a zbytek tvoří železo. Po ukončení procesu tváření byly výkovky v provozních podmínkách žíhány při teplotě 650 C po dobu 10hodin a následně normalizačně žíhány za teploty 930 C s ochlazováním na vzduchu. 3. LABORATORNÍ TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ V laboratorních podmínkách bylo na vzorcích tvářené oceli provedeno vlastní tepelné zpracování. Ověření vlivu austenitizační kalící teploty (T A ) na strukturu a mechanické vlastnosti bylo navrženo pro rozpětí teplot (880 až 940) C s následným kalením do vody a popouš těním T P = 620 o C s ochlazováním na vzduchu. Označení vzorků a provedené tepelné zpracování uvádí následující přehled: vzorek L1 : T A = 880 C/6 hod./voda + T P = 620 C/8 hod./vzduch vzorek L2 : T A = 890 C/6 hod./voda + T P = 620 C/8 hod./vzduch vzorek L3 : T A = 900 C/6 hod./voda + T P = 620 C/8 hod./vzduch vzorek L4 : T A = 910 C/6 hod./voda + T P = 620 C/8 hod./vzduch vzorek L5 : T A = 920 C/6 hod./voda + T P = 620 C/8 hod./vzduch vzorek L6 : T A = 930 C/6 hod./voda + T P = 620 C/8 hod./vzduch vzorek L7 : T A = 940 C/6 hod./voda + T P = 620 C/8 hod./vzduch Obr. 1: Výkovek - rozměr (100x100x150)mm Fig. 1: Forged sample (100x100x150)mm
4. MECHANICKÉ VLASTNOSTI VZORKŮ HSLA OCELI ASTM A694 F60 Vzorky pro stanovení dosažených parametrů mechanických vlastností a vyhodnocení struktury byly odebrány ze středových oblastí výkovků. Hodnocení mechanických vlastností bylo provedeno v podélném směru. Tabulka 2 uvádí požadovanou úroveň a dosažené hodnoty mechanických vlastností jednotlivých vzorů oceli F60. Tab. 2: Mechanické vlastnosti HSLA oceli F60 pro různé teploty kalení Table 2: Mechanical properties HSLA steel F60 acc. quenching temperature Z tabulky 2 je patrný vliv teploty austenitizace na změnu mechanických vlastností tvářené a zušlechtěné oceli F60. Je zřejmé, že s rostoucí teplotou austenitizace dochází k zvýšení pevnosti oceli doprovázené významným poklesem houževnatosti. 5. MIKROSTRUKTURA VZORKŮ HSLA OCELI ASTM A694 F60 Obdobně jako v případě hodnocení mechanických vlastností bylo v daném místě vzorku provedeno posouzení struktury oceli. Strukturu oceli pro konkrétní stavy tepelného zpracování (T A = 880 900 920 940) C uvádí následující přehled: L1: QT 880 C/6 hod./voda + 620 C/8 hod./vzduch
L3: QT 900 C/6 hod./voda + 620 C/8 hod./vzduch L5: QT 920 C/6 hod./voda + 620 C/8 hod./vzduch L7: QT 940 C/6 hod./voda + 620 C/8 hod./vzduch
Po kalení a popouštění je mikrostruktura všech vzorků výkovků prakticky stejná. Vyskytuje se ferit, bainit, zrnitý perlit a sorbit. Ze série snímků při zvětšení 500x, kde lze lépe porovnat sekundární zrno, je patrné, že s rostoucí kalicí teplotou se sekundární zrno významně nemění. Uvedenou skutečnost potvrzují výsledky vyhodnocení velikosti austenitického zrna pomocí oxidační metody dle ASTM E 112 97 s využitím obrazové analýzy LECO IA32. Výsledek měření velikosti austenitického zrna uvádí tabulka 3. Tab. 3: Velikost austenitického zrna HSLA oceli F60 - ASTM E 112 LECO IA32 Table 3: Grain size - HSLA steel F60 - ASTM E 112 LECO IA32 Z výsledků uvedených v tabulce 3 nelze pozorovat přímý vliv teploty kalení na změnu velikost austenitického zrna. Všechny vzorky vykazují velmi jemnou strukturu. 6. ZÁVĚR Z dosažených výsledků experimentálních prací vyplývá přímý vliv kalicí teploty na mechanické vlastnosti oceli ASTM A694 F60. Se zvyšující se teplotou byl pozorován nárůst pevnostních hodnot a naopak pokles vrubové houževnatosti. Nejpříznivějších výsledků mechanických vlastností bylo dosaženo při aplikaci kalicích teplot 880 o C, 890 o C a 900 o C. Mikrostruktura oceli po kalení a popouštění je srovnatelná v případě všech vzorků. Vyskytuje se ferit, bainit, zrnitý perlit a sorbit. Hodnocení velikosti austenitického zrna oxidační metodou podle ASTM E 112-97 potvrdilo rovnoměrnost velikosti zrna v porovnání všech experimentálních vzorků bez prokazatelného vlivu kalicí teploty. Další optimalizaci mechanických vlastností a struktury oceli lze očekávat po ověření vlivu popouštěcí teploty. Následně bude možné stanovit komplexní optimalizovaný proces tepelného zpracování HSLA oceli ASTM A694 F60. Práce byla řešena v rámci programu EUREKA projektu OE 08009 E!4092 MICROST. Projekt byl realizován ze státních prostředků za finanční podpory Ministerstva školství mládeže a tělovýchovy České republiky. The paper has been solved within the EUREKA OE 08009 E!4092 MICROST project. The project was implemented based on government resources with financial support of the Ministry of Education, Youth and Sport of the Czech Republic