19. – 21. 5. 2009, Hradec nad Moravicí
METAL 2009
___________________________________________________________________________
FYZIKÁLNÍ SIMULACE TVÁŘENÍ VYSOKOLEGOVANÝCH OCELÍ PHYSICAL SIMULATION OF FORMING OF HIGH-ALLOYED STEELS Petr Unuckaa Aleš Bořutaa Josef Bořutaa a
MATALURGICKÝ A MATERIÁLOVÝ VÝZKUM s.r.o., Pohraniční 693/31, 706 02 Ostrava - Vítkovice, ČR,
[email protected]
Abstrakt Pro optimalizaci návrhu technologického postupu, tvorby základního technologického předpisu (ZTP) nebo jeho úpravu je výhodné použít fyzikální simulaci. Univerzální plastometr SETARAM umožňuje provádět fyzikální simulace tváření za tepla jak v procesu válcování, tak kování. Tento příspěvek se zabývá ověřením zvoleného technologického postupu kování ingotu o hmotnosti 765 kg pr. 430 mm na průřez o rozměru 150 x 150 mm s cílem získat postup tváření pro slitinu na bázi niklu označovanou jako INCONEL 718. Samotný postup kování byl navržen za využití podkladů dostupných z literatury a také z provedených analýz mikrostrukturního stavu a tvařitelnosti slitiny INCONEL 718 v rámci grantového projektu MSM 2587080701. Současně, byla fyzikální simulace použita pro ověření deformačního chování i nástrojových ocelí X50CrMoV5-1-1 a X50CrMoW9-1 a austenitické oceli X120Mn12. Mechanické vlastnosti zjišťované tahovou zkouškou jsou jednou z přejímacích podmínek, proto byly zkušební tyče po provedení simulace na plastometru SETARAM (tyče prošly simulovaným deformačním procesem) následně zkoušeny tahem za studena. Výsledné mechanické vlastnosti těchto tyčí přibližují hodnoty mechanických vlastností, které je možno daným technologickým postupem získat. Mikrostruktura je dalším důležitým výstupem získaným po provedení fyzikální simulace, neboť je jednou z přejímacích podmínek. Následným krokem byla tedy příprava zkušebních tyčí (po zkoušce tahem) a provedení metalografického hodnocení získaného mikrostrukturního stavu. Abstract The physical simulation is well used for optimalization of technological process, making up a basic technological process (ZTP) or its modification. Universal plastometer SETARAM is used for physical simulations of hot forming in rolling or forging process. This paper is targeted the verification of the suggested technological process of 765 kg weight ingot forging with reduction in 430 mm primary diameter area to 150 x150 mm profile - plan of forming for nickel based alloy sign. INCONEL 718 was our intention. Technical bases from literature and made microstructural and forming analyzes within framework of MSM 2587080701 was used for design of technological process. Contemporaneously was used this physical simulation for testing of deformation behaviour of tool steels (X50CrMoV5-1-1 and X50CrMoW9-1) and Hadfield steel (X120Mn12). The mechanical properties of tensile test are the part of acceptance terms therefore the test samples after simulation on plastometer SETARAM (the test samples was passed through deformation processes) were put to the tensile test in air temperature. Obtained mechanical characteristics of these samples approximate values of mechanical properties can be realized from given
1
19. – 21. 5. 2009, Hradec nad Moravicí
METAL 2009
___________________________________________________________________________ technological process. Microstructure is other important product of physical simulation because it is the part of acceptance terms, too. Therefore the last step was preparing and microstructure analyzes of tested samples. 1. ÚVOD Pro optimalizaci návrhu technologického postupu, tvorby základního technologického předpisu (ZTP) nebo jeho úpravu je výhodné použít fyzikální simulaci. Univerzální plastometr SETARAM umožňuje provádět fyzikální simulace tváření za tepla jak v procesu válcování, tak kování. Tento příspěvek se zabývá ověřením zvoleného technologického postupu kování ingotu o hmotnosti 765 kg pr. 430 mm na průřez o rozměru 150 x 150 mm s cílem získat postup tváření pro slitinu na bázi niklu označovanou jako INCONEL 718. Samotný postup kování byl navržen za využití podkladů dostupných z literatury a také z provedených analýz mikrostrukturního stavu a tvařitelnosti slitiny INCONEL 718 v rámci grantového projektu MSM 2587080701 [1 až 3]. Současně, byla fyzikální simulace použita pro ověření deformačního chování i nástrojových ocelí X50CrMoV5-1-1 a X50CrMoW9-1 a austenitické oceli X120Mn12. Mechanické vlastnosti zjišťované tahovou zkouškou jsou jednou z přejímacích podmínek, proto byly zkušební tyče po provedení simulace na plastometru SETARAM (tyče prošly simulovaným deformačním procesem) následně zkoušeny tahem za studena. Výsledné mechanické vlastnosti těchto tyčí přibližují hodnoty mechanických vlastností, které je možno daným technologickým postupem získat. 2. NÁVRH TECHNOLOGICKÉHO POSTUPU KOVÁNÍ Vstupním stavem byl kovářský ingot pr. 470/370 - 1100 mm (765 kg). Konečným výrobkem je sochor o průřezu 150 x 150 mm (K = 7,1). Vlastní návrh technologie kování výše zmíněného ingotu sestával z několika etap. Byl navržen režim ohřevu a meziohřevů, postup kovářských operací a způsob ochlazení výsledného kusu. Detailněji se zaměříme na etapu vytvoření samotného návrhu postupu kování. Stupeň prokování je nutno dosáhnout, podle [3] pro slitinu INCONEL 718, minimálně K= 3,5 až 5 [1]. Předpokládá se kování na hydraulickém lisu s rychlostí pohybu příčníku asi 60 mm/s. Navržený technologický postup kování: Ohřev 1. operace kovat manipulační čep, meziohřev; 2. operace předkovat na 370 x 370 mm, meziohřev; 3. operace předkovat na 300 x 300 mm, meziohřev; 4. operace předkovat na 235 x 235 mm, předkovat na 200 x 200 mm; kovat na hotovo 150 x 150 mm. 3. FYZIKÁLNÍ SIMULACE KOVÁNÍ Navržený technologický postup byl dále fyzikálně modelován na zkušebním zařízení SETARAM. Byl navržen zkušební postup, který simuluje skutečný technologický postup při kování ingotu 765 kg na hydraulickém lisu. Jednotlivé parametry zkoušky podle navrženého technologického postupu shrnuje tab. 1. Takto zvoleným programem byly zkoušeny tyče z materiálu X50CrMoV5-1-1 a INCONEL 718. Získané závislosti napětí na intenzitě deformace pro jednotlivé zkoušené materiály jsou znázorněny na obr. 1. Žádná ze zkušebních tyčí při zkoušce
2
19. – 21. 5. 2009, Hradec nad Moravicí
METAL 2009
___________________________________________________________________________ nepraskla, lze tedy předpokládat, že parametry postupu kování byly stanoveny vhodně. Slitina INCONEL 718 opět ukázala nejvyšší SPDO(střední přirozený deformační odpor), nižší hodnoty vykazovala ocel X50CrMoW9-1. Nejmenší hodnoty SPDO má Hadfieldova ocel X120Mn12. Tabulka 1. Simulace úběrového plánu kování ingotu 765kg (zkušební tyč 6x50 mm). Table 1. Simulation parameters of forging operations for ingot 765 kg (test simples 6x50 mm). operace náhřev na HKT 1. operace meziohřev 2. operace meziohřev 3. operace
rozměry úběr deformace [mm] [mm] [-]
rychlost rychlost def. teplota čas otáčky otáček [1/s] [°C] [s] [ot.] [ot./s]
Se [-]
-
-
-
-
1150
10
-
-
-
453 370 300 235 200 150
83 70 65 35 50
0,18 0,19 0,22 0,15 0,25
0,13 0,16 0,20 0,26 0,30
1050 1150 1050 1150 1050 1000 950
1 8 1 8 1 1 1
0,827 0,873 1,01 0,69 1,15
0,60 0,74 0,92 1,20 1,38
0,15 0,16 0,18 0,12 0,20
Na křivkách závislosti napětí na intenzitě deformace slitiny INCONEL 718 se objevily, na rozdíl od ostatních materiálů, velmi výrazné píky. Důvod vzniku takového chování zatím nebyl blíže zkoumán, lze však předpokládat, že dislokace musí překonat v materiálu jakousi bariéru, která se obnovuje při výdrži na vysoké teplotě (viz. obr. 1.) a souvisí pravděpodobně s difúzními jevy (překážky pro pohyb dislokací jako tvorba precipitátu, atmosfér apod.).
3
19. – 21. 5. 2009, Hradec nad Moravicí
METAL 2009
___________________________________________________________________________
360 949-951°C
320 meziohřev na 1150°C/ cca 8´
280
meziohřev na 1150°C/ cca 8´
[Mpa]
240 200
999-1000°C
X50XCrMoW 5-1
1049-1051°C
1049-1051°C
1049-1051°C
INCONEL
X50CrMoV5-1-
160 X120Mn12
120 80 40 0 0
0,1
0,2
0,3
Se [-]
0,4
0,5
0,6
0,7
Obr. 1. SIM kování - porovnání; 1150/10 min-1050°C/1 min; mezi 1. a 2.; 2. a 3. deformaci byl meziohřev na 1150°C/8 min. Fig. 1. Simulation of forging - coparation; 1150°C/10min.-1050°C/1 min.; between 1. and 2.; 2. and 3. deformation was apllied heating at 1150°C/8 min. 5. VÝSLEDNÉ MECHANICKÉ VLASTNOSTI Zkušební tyče které prošly fyzikální simulací kování na zařízení SETARAM byly následně přetrženy na klasickém tahovém zkušebním stroji. Výsledné hodnoty napěťových a popř. deformačních charakteristik zkoušky tahem jsou uvedeny v tab. 2. Tabulka 2. Napěťové a deformační charakteristiky zkoušky tahem zkoušených materiálů. Table 2. Stress and deformation characteristics of tensile test for tested materials. Materiál Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] A5 [%] Z [%] X120Mn12
849
425
32
26
X50CrMov5-1-1
554
-
-
-
X50CrMoW9-1
1538
-
-
-
INCONEL 718
598
552
-
-
4
19. – 21. 5. 2009, Hradec nad Moravicí
METAL 2009
___________________________________________________________________________ 4. MIKROSTRUKTURNÍ ANALÝZA PO TAHOVÉ ZKOUŠCE Po provedení tahové zkoušky byly připraveny vzorky pro mikrostrukturní analýzu tahových tyčí v podélném směru vždy z místa, v němž se při plastometrické simulaci měřila teplota v tyči (ozn. T měř.). 4.1 Ocel X120Mn12 Po naleptání vzorku ve V2A se zviditelnila austenitická struktura (obr. 2.). U lomové plochy byla austenitická zrna protáhlá ve směru deformace. Struktura v blízkosti lomu byla jemnozrnnější v porovnání s protilehlou stranou vzorku. V oblasti maximální teploty byla pozorována struktura hrubozrnnější bez viditelné deformace hranic austenitických zrn při tahové zkoušce. Uvnitř většiny austenitických zrn byl detekován výskyt ε-martenzitu. Deformační pásy εmartenzitu mohly vzniknout v průběhu exponování zkušebních tyčí. Nelze však vyloučit vznik ε-martenzitu při přípravě metalografického výbrusu. Po elektrolytickém naleptání v 10% CrO2 se zviditelnily hranice austenitických zrn. V polovině tloušťky u lomu byla struktura hrubozrnnější než u povrchu. Ze strany T měř. se částečně Obr. 2. Mikrostruktura X120Mn12 naleptala struktura ε martenzitu a nebyly v T měř., zv. 200 x. pozorovány tak výrazné rozdíly v hrubozrnnosti jak tomu bylo v oblasti Fig. 2. Microstructure of X120Mn12 lomu. in T measured location, ent. 200 x. 4.2 Slitina INCONEL 718 V leštěném stavu bylo pozorována značné množství drobných trhlinek po celém průřezu vzorku (obr. 3.). Byly rovněž detekovány karbidické částice. V oblasti lomu bylo zaznamenáno několik trhlin kolmých k lomové ploše. Po naleptání ve V2A se u lomu objevila silně deformovaná struktura matriční fáze, zejména u povrchu vzorku. Místy bylo možné uvnitř austenitických zrn pozorovat deformační dvojčata. Po naleptání se zviditelnily karbidy, které místy vykazovaly usměrněnou řetízkovou strukturu, jak v oblasti s deformovanou strukturou, tak i v oblasti Obr. 3. Mikrostruktura INCONEL 718 s maximální detekovanou teplotou, tedy v T měř., zv. 500 x. po celé ploše vzorku. U povrchu se naleptala struktura jemnozrnnější Fig. 3. Microstructure of INCONEL 718 v porovnání s polovinou tloušťky vzorku. in T measured location, ent. 500 x.
5
19. – 21. 5. 2009, Hradec nad Moravicí
METAL 2009
___________________________________________________________________________ 4.3 Ocel X50CrMoV5-1-1 Po naleptání se v oblasti řezu zviditelnila martenzitická struktura se zbytkovým austenitem na hranicích zrn (obr. 4.). Ze strany lomu byly pozorovány drobná zrna odlišnější struktury než okolní matrice. Uvnitř těchto drobných zrn byly místy detekovány drobné ostrůvky identifikovatelné jako hrubé primární karbidy. Ze strany lomu byla pozorována martenzitická struktura bez viditelného výskytu zbytkového austenitu po hranicích zrn. Místy byly zjištěny shluky karbidů vyloučených převážně na hranicích původních γ zrn.
Obr. 4. Mikrostruktura X50CrMoV5-1-1 v T měř., zv. 200 x. Fig. 4. Microstructure of X50CrMoV5-1-1 in T measured location, ent. 500 x.
4.4 Ocel X50CrMoW9-1 Po naleptání se zviditelnila martenzitická struktura (obr. 5.). V blízkosti lomu byl detekován zbytkový austenit na hranicích γ zrn. V povrchové oblasti v důsledku oduhličení byla zjištěna přítomnost proeutektoidního feritu. Tvar zrn byl jak ze strany lomu tak ze strany maximálně ovlivněné byl protáhlý ve směru deformace.
Obr. 5. Mikrostruktura X50CrMoW9-1, v T měř., zv. 500x. Fig. 5. Microstructure of X50CrMoW9-1 in T measured location, ent. 500 x.
5. ZÁVĚR V rámci analýz tvařitelnosti byly provedeny tzv. APZ (anizotermické přerušované) zkoušky s klesající teplotou pro oceli X120Mn12, X50CrMoW9-1-1, X50CrMoV5-1-1 a slitinu INCONEL 718, jejichž výsledky byly publikovány již dříve [2 až 8]. Z výsledků vyplynula nutnost detailnějšího prověření chování jakosti INCONEL 718 při tváření, kdy tato slitina při úzkém intervalu tvářecích teplot vykazuje velmi vysoké deformační odpory, silnou citlivost deformačního chování na rychlost deformace s vazbou na heterogenní strukturní stav velkého ingotu. Z tohoto důvodu následovaly fyzikální simulace postupu kování. Pro ingot 765 kg ze slitiny INCONEL 718 byla na základě získaných poznatků navržena technologie kování na rozměr 150 x150 mm a tento postup byl simulován
6
19. – 21. 5. 2009, Hradec nad Moravicí
METAL 2009
___________________________________________________________________________ na zařízení SETARAM pro výše uvedené jakosti. U všech zkoušených materiálů byla následně provedena řada analýz a studií především mikrostrukturních stavů. Poděkování: Tento příspěvek byl vypracován za finančního přispění MŠMT v rámci programu Výzkumného záměru č. MSM 258 708 0701. LITERATURA [1] Bořuta a kol.: Vývoj progresivních metod tváření oceli a slitin pro náročné použití. Dílčí zpráva Řešení výzkumného záměru za rok 2008, etapa 5, D-25/2008, MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s. r.o., Ostrava: 2008. [2] UNUCKA, P., BOŘUTA, J., LONGAUEROVÁ, M.: Microstructure of forged nickel alloys. Acta Metallurgica Slovaca, 2007, vol. 13, no.1. Hutnická fakulta Technická universita v Košicích, Košice: 2007, p. 627-632. [3] UNUCKA, P., VICHNAR, M., BOŘUTA, A.: Tvařitelnost za tepla vysocelegovaných ocelí a slitin. In Sborník přednášek 6. Kovárenská konference 15.-16. 5.2007, hotel SKI Nové Město na Moravě., Ostrava: Svaz kováren ČR, 2007, p. 4. [4] UNUCKA, P., BOŘUTA, J. Experimentální výzkum tvařitelnosti vysokolegovaných ocelí a niklových slitin. Hutnické listy, 2008, vol. LXI, n. 1, p. 46 - 51. [5] UNUCKA, P., BOŘUTA, A. Materiálové parametry tvařitelnosti vysokolegovaných materiálů. In Sborník přednášek 17. mezinárodní konference METAL 2008, 13.15.5.2008, Hotel Červený zámek, Hradec nad Moravicí, Česká republika [CDROM] Ostrava: Tanger: Květen, 2008, p. 45-46. [6] UNUCKA, P., BOŘUTA, J.: The experimental research of ductility of high-alloyed steels and nickel based alloys. Hutnik, 2008, vol. 76, n. 8, p. 513-515. [7] UNUCKA, P., BOŘUTA, J.: Experimentální výzkum tvařitelnosti vysokolegovaných ocelí a niklových slitin. In. Sborník zkrácených verzí referátů z 15. mezinárodní vědecké konference FORMING 2008, Brno. Katedra tváření materiálu, VŠB-Technická univerzita Ostrava: 2008, p. 60. [8] UNUCKA, P., Bořuta, A., Bořuta, J.: Využití fyzikální simulace tváření v procesu návrhu technologického postupu kování. In. Sborník přednášek 7. Kovárenská konference 13. - 14.5.2009, Hotel SANTON Brno, Ostrava: Svaz kováren ČR, 2009.
7
