TIXOFORMING PRÁŠKOVÝCH OCELÍ SVOČ FST 2013 Bc. Hedvika Mišterová, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Tixoforming je metoda zpracování kovů tvářením ve stavu mezi solidem a likvidem, která umožňuje vytvářet tvarově složité součástky a to v jedné tvářecí operaci. Při výzkumu zpracování ocelí v semi-solid stavu byly dosud používány především oceli se širokým intervalem teplot mezi solidem a likvidem. Struktura těchto ocelí po tixoformingu je však většinou složena z polyedrických útvarů metastabilního austenitu, které jsou ohraničeny karbidickým síťovím. Existují však i oceli, které mohou při tixozpracování vytvářet i jiné typy struktur. Na základě předběžných úvah a výpočtů byl experimentálně odzkoušen tixoforming s třemi ocelemi s potenciálem dosažení neobvyklých struktur. Jednalo se o oceli CPM 15V, CPM S 30V a K190 vyrobené práškovou metalurgií, které se liší obsahem uhlíku, chromu a vanadu. Nevýhodou těchto ocelí je však extrémně úzký teplotní interval pro zpracování thixoformingem. Vzhledem vysoké k citlivosti těchto ocelí na rychlou tvorbu tekuté fáze bylo nutno zjistit zejména vhodné podmínky ohřevu. Postupnou optimalizací parametrů byly vyrobeny demonstrátory ze všech tří typů ocelí o rozměrech do 20mm. Získané struktury jednotlivých ocelí se od sebe navzájem lišily v závislosti na obsahu uhlíku. U vysoce uhlíkové oceli CPM 15V zůstaly ve struktuře zachovány karbidy vanadu, zatímco u ostatních ocelí došlo ke vzniku klasického karbidického síťoví které ohraničuje polyedrickými útvary MA-složky. ABSTRACT Thixoforming is a method of metal processing by forming between solid and liquid states. With this method, the components can have complex shapes in one forming step. Until now, in metal processing research, there have been used metals with a wide temperature interval between solid and liquid states. After the thixoforming process, the structure of the component is polyhedral units of austenite which are bounded by a carbide network. Based on the hypothesis and calculations, mini-thixoforming has been done with three steels with various contents of carbon, chromium and vanadium - CPM 15V, CPM S30V and K190. These steels have the potential to achieve unusual structures. The disadvantage of these steels is an extremely small temperature interval for thixoforming processing. Because of the high sensitivity to the fast formation of the liquid phase, it was necessary to ensure suitable heating conditions. The differences between the structures depend on the content of carbon. In the high-carbon steel CPM 15V carbides of vanadium remained, but in the other steels a typical carbide net was created which bounds the polyhedral formations of MA components. KLÍČOVÁ SLOVA Mini-thixoforming, semi-solid stav, prášková metalurgie, CPM 15 V, CPM S 30V, K190
ÚVOD Tixoforming je alternativní tvářecí metoda, která nabízí novou řadu inovací pro konvenční ocele, a to jak z hlediska tvarů, mikrostruktury, tak mechanických vlastností, které jsou konvenčními technologiemi jen těžko dosažitelné. Při tomto zpracování je ocel ohřáta do semi-solid stavu, kde je tvářena a následně rychle ochlazena. Takto zpracované materiály pak mohou vykazovat velmi neobvyklé mikrostruktury. Optimální procento taveniny při tváření je obvykle mezi 30 a 60%. [1] Díky tomuto jsou síly k tváření mnohonásobně menší než při ostatních konvenčních tvářecích metodách. Tváření probíhá v jednom kroku do uzavřené duté zápustky, přičemž je možné vyrobit tvarově složité produkty. Typická struktura po zpracování v semi-solid stavu ocelí je tvořena polyedrickými zrny austenitu obklopenými karbidko-ledebutickým síťovím. Cílem této práce je představit nové možnosti tixoformingu, kdy zpracováním v semi-solid stavu ocelí vyrobených práškovou metalurgií byly získány nové nekonvenční struktury tvořené převážně směsí globulárních karbidů, eutektika a martenziticko-austenitické matrice. Tyto struktury budou vykazovat neobvyklé vlastnosti, např. vysokou odolnost vůči opotřebení a poměrně vysokou houževnatost. Další výhodou tixoformingu těchto obtížně tvářitelných materiálů je možnost výroby tvarově složitých polotovarů, které by našly uplatnění v různých oblastech průmyslu. [1, 2] Analýza struktur byla provedena na světelném a řádkovacím mikroskopu a s použitím tvrdoměru. EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Použitý materiál Experiment byl proveden na třech ocelích vyrobených práškovou metalurgií: CPM 15V, CPM S 30V a K190. Tyto oceli byly zvoleny díky vysokému obsahu legujících prvků. Vzájemně se od sebe liší různým obsahem uhlíku, chromu, vanadu a molybdenu. Kromě obsahu uhlíku je důležitým legujícím prvkem vanad. Jeho vysokoteplotní karbidy, které mají teplotu tání okolo 2800 C, budou zůstávat v nataveném kovu a budou vytvářet základ pro nově vznikající strukturu. Tab. 1: Chemické složení použitých práškových ocelí (hm.%) [3-5] C Cr Mn Mo V Si CPM 15V 3,4 5,25 0,5 1,3 14,5 0,9 CPM S 30V 1,45 14 2 4 K190 2,3 12,5 0,4 1,1 4 0,1 Ocel CPM 15V má z použitých ocelí nejvyšší obsah vanadu 14,5% a uhlíku 3,4 % (Tab. 1). Vykazuje dobrou odolnost při práci za studena. Díky poměrně vysokému obsahu karbidů vanadu má velmi dobrou odolnost vůči opotřebení. Tato ocel nabízí alternativu ke slinutému karbidu, kde slinutý karbid selhává kvůli křehkosti a složité výrobě. Díky těmto vlastnostem je ocel CPM 15V v praxi používána na zápustky, trny, extrémně namáhané části nástrojů apod. [5]. Jako druhá byla pro experiment použita martenzitická ocel CPM S30V. Tato ocel má obsah uhlíku 1,4% a oproti oceli CPM 15V i vysoký obsah chromu 14% (Tab. 1). Obsah vanadu byl v tomto případě pouze 4%. Vzhledem ke svému legování vykazuje vysokou odolnost proti korozi a opotřebení. Díky oblým karbidům vanadu může dosahovat i uspokojivé houževnatosti. [3] Třetí zkoušenou ocelí byla ledeburitická ocel K190, který vykazuje dobrou odolnost proti abrazivnímu a adhezivnímu opotřebení. Oproti oceli CPM S30V má vyšší obsah uhlíku 2,3%. Podíl ostatních legujících prvků je téměř stejný (Tab.1). Tato ocel byla vybrána hlavně díky možnosti posouzení vlivu obsahu uhlíku. V praxi je využívána na nástroje pro lisování a přesné řezání, hlubokotažné nástroje a nástroje pro třískové obrábění. [4] Výchozí struktury dodaných ocelí se lišily především v morfologii a rozložení karbidů (Obr. 1). U oceli CPM 15V byly karbidy převážně polyedrického charakteru s velikostí 1 3 µm. Nejjemnější karbidy s velikostí cca 1 µm byly zjištěny u oceli CPM S30V s vysokým obsahem chrómu. Naopak u oceli K190 byla morfologie karbidů ostrohranná, velikost karbidů byla velmi nehomogenní a pohybovala se v intervalu od 1µm až do 5µm. Liniovou chemickou analýzou pomocí EDX bylo zjištěno, že v případě oceli CPM S30V jsou karbidy převážně vanadové, u oceli CPM 15V a K190 naopak karbidy chromové.
a b c Obr. 1: a výchozí stav CPM 15V, b výchozí stav CPM S30V, c výchozí stav K190 Aby mohla být navržena vhodná teplota ohřevu, byl proveden výpočet závislosti tekuté fáze na teplotě v programu JMatPro (Obr. 2). Z výsledků bylo zjištěno, že technologicky nejproblematičtější bude řízení procesu u oceli CPM 15V, kde dochází ve velmi úzkém intervalu teplot k velmi rychlému nárůstu podílu tekuté fáze. V intervalu teplot 18 C je dosaženo 80% tekuté fáze. Dále z výpočtu vyplývá, že začátek tavení oceli CPM 15V začíná na teplotě 1300 C, zatímco u ucelí CPM S 30V a K 190 je začátek tavení již na 1232 C. Experimentální program Experimentální program byl navržen s využitím výsledků vypočtených pomocí JMatPro (Obr. 2). Mini-thixoforming byl proveden na zkušebním zařízení s titanovou formou. Do této formy byl vložen polotovar o průměru 6 mm a délky 42 mm, který byl ohříván pomocí kombinace indukčního a odporového ohřevu na teplotu thixotváření. Při následné kompresi byla vyplněna tvarová dutina formy, ve které došlo k rychlému ochlazení a rychlé solidifikaci. Na všech třech materiálech bylo provedeno zpracování v semi-solid stavu (Tab. 2). Byla zjišťována především vhodná teplota ohřevu, aby bylo dosaženo požadované zabíhavosti. Zabíhavost je potřebná k vyplnění celé dutiny formy a k získání struktury bez výrazných defektů, zejména staženin. Tab. 2: Optimální hodnoty procesu pro tixoforming Podíl tekuté fáze [wt] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 CPM S 30V K190 CPM15V 0 1200 1250 1300 1350 1400 Teplota [ C] Obr. 2 Závislosti tekuté fáze na teplotě, výpočet s použitím JMatPro Materiál Čas ohřevu Deformace síla Tep. HV 10 HV 10 tělo [s] [mm] [kn] [ C] produkt CPM15V 1270 657 773 CPMS30V 56 6,3 7 1270 468 468 K190 1240 543 594 Pro ocel CPM 15V byla odzkoušena teplota ohřevu 1270 C (Tab. 2). Ohřev byl proveden za dobu 56 s. Po ohřevu na teplotu bylo provedeno stlačení silou 7kN o 6,3 mm. Tím došlo ke stranovému vytlačení materiálu v semi-solid stavu do vnitřní přímé dutiny o průřezu 1,9 mm a délky 20 mm. U oceli CPM S 30V byly zvoleny stejné parametry zpracování jako v předchozím případě (Tab. 2). U oceli K190 byla zvolena teplota 1240 C a přímá dutina (Tab. 2).
DISKUSE VÝSLEDKŮ Ocel CPM 15V U oceli CPM 15 V bylo po odzkoušení režimu s teplotou ohřevu 1270 C zjištěno, že došlo k úplnému vyplnění přímé dutiny formy a byl získán produkt o délce 20 mm. Konec produktu i jeho povrch vykazoval dostatečnou kvalitu bez výrazných povrchových nerovností a defektů. Na povrchu nebyly zjištěny ani žádné zapečeniny či staženiny. Struktura středu produktu byla tvořena převážně karbidy vanadu, chrom-vanadu a chromovo-vanadovým eutektikem v austenitické matrici s podílem martenzitu (Obr. 3). Rentgenovou difrakční analýzou bylo zjištěno, že podíl austenitu dosahuje 62% a podíl martenziu 24%. Velikost karbidů se pohybovala do 5 µm. Tvrdost ve středu produktu byla změřena na 657 HV 10. Struktura ve středu vzorku, tedy v místě odkud došlo k vtlačení polotekutého kovu, neobsahovala takové množství eutektika a byla tvořena převážně karbidy uloženými v matrici. Hodnota tvrdosti byla 773 HV10 (Tab. 2). 3.2. Ocel CPM S30V U oceli CPM S30V byl po aplikaci několika režimů s odlišnými Obr. 3 Struktura oceli CPM 15 V po tixoformingu parametry ohřevu, zvolen ohřev na teplotu 1270 C. Nejprve byla použita přímá vnitřní dutina. V tomto případě došlo k dokonalému vyplnění vnitřní dutiny formy a okraje produktu měly požadovanou kvalitu. Struktura byla v ose produktu tvořena austenitickými zrny, která byla v některých případech vyplněna martenzitem (Obr. 4). Ve struktuře nezůstaly zachovány původní globulární a velmi jemné karbidy. Karbidy se vylučovaly ve formě karbidického síťoví. Velikost útvarů austenitu dosahovala cca 10 µm. Tvrdost v osové partii produktu byla v tomto případě 468 HV10, což je výrazně nižší než v případě oceli CPM 15V. Chemickou analýzou pomocí EDX byl zjištěn vyšší obsah karbidotvorných prvků v karbidickém síťoví, zejména pak vanadu. Struktura těla vzorku byla tvořena rovněž austenitickými zrny, která byla vyplněna martenzitem. Jejich velikost byla ale vyšší, kolem 15 µm, což bylo pravděpodobně způsobeno lokálními podmínkami ohřevu a deformace. Tvrdost dosahovala 468 HV10. Obr. 4 Struktura oceli CPM S30V po tixoformingu Obr. 5 Struktura oceli K190 po tixoformingu
Ocel K190 U oceli K190 byla jako teplota ohřevu zvolena teplota 1240 C a byla použita přímá dutina. Došlo k vyplnění celé dutiny formy. Při použití vyšší teploty byla struktura po okrajích produktu tvořena velmi jemnými dendrity. Po snížení teploty na 1240 C ve středu produktu vyskytovaly útvary austenitu, které obsahovaly martenzit. Tedy výsledná struktura byla tvořena M-A složkou, která byla obklopena karbidickým síťovím. Velikost těchto útvarů M-A složky byla cca do 15 µm (Obr. 5). Opět došlo k rozpuštění karbidů nacházejících se ve struktuře výchozího stavu. Tvrdost ve středu produktu byla stanovena na 543 HV10. V těle vzorku byla zjištěna velmi podobná struktura s hodnotou tvrdosti 594 HV10. ZÁVĚR Byl proveden mini-thixoforming na třech ocelích vyrobených práškovou metalurgií CPM 15V, CPM S 30V a K190. U všech ocelí se podařilo nalézt optimální podmínky pro úspěšné vyplnění dutiny formy. V případě CPM S 30V a K190 vznikla struktura s polyedrickýmy útvary austenitu s jistým podílem martenzitu uvnitř těchto útvarů představující M-A složku, která je obklopena kabridickým síťovým. U oceli CPM 15V byl dosažen inverzní charakter struktury oproti klasickému mini-thixoformingu na běžných nástrojových ocelích. Struktura je tvořena tvrdými karbidy vanadu a chromovo-vanadovým eutektikem v austenitické matrici. Výzkum ukázal, že práškové oceli jsou velmi zajímavým materiálem pro zpracování v semi-solid stavu. Vždy je však nutné nalézt vhodné okno technologických parametrů pro danný proces a tyto parametry pak při zpracování uřídit. Pro realizaci vybraných procesů je nutno počítat s nutností řídit teploty zpracování s vysokou dynamikou a navíc s přesností na několik málo stupňů. Jen tak lze získat malé, tvarově složité produkty, s neobvyklou strukturou a výbornými vlastnostmi. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl v rámci řešení projektu SGS-2011-056 - Nové nekonvenční materiály na bázi železa a vanadu získané rychlou solidifikací ze semi-solid stavu a GA ČR P107/12/2600 - Vliv tváření v semi-solid stavu na vývoj struktury ocelí vyrobené práškovou metalurgií. Projekt je financován ze státního rozpočtu České republiky. LITERATURA [1] MAŠEK, B., VANČURA, F., AIŠMAN, A., JIRKOVÁ, H. Relationship Between Initial and Resulting Microstructure of X210Cr12 Steel upon Short-term Semi-solid State Processing. Metal 2011. 2011. [2] AIŠMAN, D., JIRKOVÁ, H., MAŠEK, B. Forming technology of Small Parts in Semi Solid State. Annals of DAAAM & Proceedings. 2009. ISSN 1726-9679. [3] CPM S30V steel. Wikipedia [online]. 2012 [cit. 2012-09-12]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/cpm_s30v_steel [4] Bohler K190 microclean. Bohler [online]. 2004 [cit. 2012-09-12]. Dostupné z: http://www.bohler.at/deutsch/files/downloads/k190de.pdf [5] CPM 15V. Latrobesteel [online]. 2010 [cit. 2012-09-12]. Dostupné z: http://www.latrobesteel.com/assets/documents/datasheets/cpm_15v.pdf Tento příspěvek byl podpořen formou odborné konzultace Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.3.00/35.0048 Popularizace výzkumu a vývoje ve strojním inženýrství a jeho výsledků (POPULÁR).