METAL 2004
Hradec nad Moravicí
VLASTNOSTI OCELI CSN 12050 (DIN C 45) S VELMI JEMNOU MIKROSTRUKTUROU PROPERTIES OF THE C45 DIN GRADE STEEL (CSN 12050) WITH VERY FINE MICROSTRUCTURE J. Drnek Z. Nový P. Fišer COMTES FHT s.r.o., Borská 47, Plzen, 323 14,
[email protected] Abstrakt Ocel CSN 12050 (DIN C45) byla podrobena speciálním postupum termomechanického zpracování. Jejich cílem byl výzkum chování této oceli pri vysokých hodnotách deformace za snížených teplot a dosažení výjimecných vlastností, zejména zvýšení plasticity a pevnosti v dusledku zjemnení zrna. Prvním postupem bylo prodlužování válcových vzorku mezi rovnými kovadly behem ochlazování na vzduchu z teploty 900 °C. Bylo dosaženo rovnomerné jemnozrnné struktury o velikosti zrna približne 2 mikrometru. Dalším postupem bylo zpracování vzorku dané oceli na torzním plastometru. Na vzorcích byla merena tvrdost a zjištovány další mechanické hodnoty. 1
ÚVOD V posledních letech probíhá intenzivní výzkum materiálu s velmi jemnou mikrostrukturou. Mezi tyto materiály patrí také oceli zpracované mj. metodami využívajícími intenzivní plastickou deformaci. Prekážkou výraznejšího uplatnení techto metod v praxi je skutecnost, že vzorky zpracované intenzivní plastickou deformací pri úcinném rozložení napjatosti mají ve vetšine prípadu malé rozmery, dosažení obdobného tenzoru deformace a napjatosti u vetších vzorku nebo polotovaru je složite realizovatelné. Z tohoto duvodu je velmi obtížné na takových vzorcích zjištovat napr. mechanické vlastnosti tak, aby je bylo možné porovnat s hodnotami u standardne zpracovaných materiálu. Výjimkami jsou napr. metoda ECAP (úhlové kanálové protlacování) [1] nebo speciální postupy válcování. Válcováním jsou prumyslove vyrábeny ocelové materiály s velmi jemnou mikrostrukturou (v rozsahu velikosti zrna 1 – 3 ? m) v závode Nakayama v Japonsku [2]. Velká cást techto experimentu se provádí na ocelích s nízkým obsahem uhlíku (cca 0,15%) [1, 3, 4], prípadne na neželezných materiálech. Sledovaným parametrem je vetšinou pevnost a plastické vlastnosti. Experimentální zjemnování mikrostruktury ocelí s vyšším obsahem uhlíku se vyskytuje pomerne zrídka, nebot u nich je možné podobné hodnoty pevnosti dosáhnout i tepelným zpracováním. Ocel CSN 12050 byla pro tuto experimentální studii zvolena proto, že je velmi casto používaným materiálem pro zápustkové výkovky. Cílem experimentálního zjemnování zrna této oceli bylo dosáhnout príznivé kombinace pevnosti, houževnatosti a vysoké plasticity, prípadne tvaritelnosti za studena. Daná ocel by se tak díky speciálnímu zpracování svými vlastnostmi mohla priblížit ocelím s vetším obsahem legur i vyšší cenou.
1
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
2
EXPERIMENTÁLNÍ CÁST Experimentálním postupem pro zjemnování mikrostruktury bylo podélné prodlužování válcových vzorku v rovných kovadlech. Rozmer tvárené cásti u první série vzorku byl následující: ? d = 35 mm, délka l= 84 mm. Tyto vzorky mely na jednom z cel pro snazší otácení mezi úbery manipulacní cep menších rozmeru. Tvar vzorku byl velmi podobný vzorkum použitým v pozdejších experimentech, popsaným v obr. 2. Tabulka 1. Chemické složení oceli CSN 12050 Materiál hmot.% C 12050 min 0,42 max 0,50
Cr
Cu
0,25
0,30
Mn 0,50 0,8
Ni
P
S
0,30
0,040
0,040
Si 0,17 0,37
Table 1. Chemical composition of the C45 steel (CSN 12050) Tabulka 2. Úbery pri experimentálním tvárení vzorku o prumeru 35 mm. Zkratka TV oznacuje ochlazování vzorku tlakovým vzduchem. Vz. c.
1
1. úber konec. tlouštka vzorku [mm] 25
2. úber konec. tlouštka vzorku [mm] 25
3. úber konec. tlouštka vzorku [mm] 25
4. úber konec. tlouštka vzorku [mm] 25
5. úber konec. tlouštka vzorku [mm] 23
6. úber konec. tlouštka vzorku [mm] 23
7. úber konec. tlouštka vzorku [mm] 22
Ochlaz.
TV
Table 2. Reductions during experimental forming of the specimen of 35 mm diameter. TV stands for cooling of specimen with pressure air. Vzorky byly kovány na hydraulickém lisu s rychlostí pohybu traverzy 60 mm?s-1 . Ohrev probíhal v elektrické odporové peci na teplote 1100°C po dobu 60 min, po vyjmutí z pece následovala pred prvním úberem prodleva 3 s. Kovadla nebyla predehrívána. Vzorky byly mezi jednotlivými úbery, které následovaly v casovém kroku 4 sekund, otáceny okolo podélné osy o 90°. Detailní popis zpracování vzorku je uveden v tabulce 2.
Obr. 2 Výkres upraveného vzorku pro experimentální tvárení (nahore) a vykovaný vzorek c. 2 (dole) Fig. 2 Drawing of the adapted specimen (above) and the final shape of specimen (bottom)
Výsledná feriticko-perlitická mikrostruktura vzorku nebyla vprícném prurezu homogenní. Mikrostruktura byla lokálne výrazne závislá na typu deformace (tah-tlak, smyk). V oblasti smykových deformací kovárského kríže byla mikrostruktura výrazne zjemnená. Naopak v lokalitách pod povrchem vzorku, které byly ve styku s kovadly pri posledním úberu, byla zrna výrazne hrubší, mírne hrubší byla zrna i v bocní cásti vzorku.
2
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Tuto skutecnost ilustrují výsledky merení vrubové houževnatosti uvedené v popisku k obrázku c. 1. Vzorky pro zkoušku byly vyrobeny ztéhož kovaného vzorku. Vdusledku nehomogenity mikrostruktury mely oblasti materiálu vokolí vrubu ve vzorcích pro zkoušku velmi odlišné vlastnosti.
Obr. 1 Mikrostruktury voblasti vrubu dvou zkušebních vzorku pro merení vrubové houževnatosti vyrobených z jednoho zkušebního výkovku c. 1 s nehomogenní mikrostrukturou, o pevnosti 795 MPa (vlevo vzorek s hodnotou 84 J?cm-2 , vpravo vzorek s hodnotou vrubové houževnatosti 33 J?cm-2 ). Fig. 1 Microstructures in the notch regions of two notch tougness specimens, which had been machined of a single no. 1 experimental forging, which exhibited a nonhomogeneous microstructure and the strength of 795 MPa (notch tougness of 84 J?cm-2 (left) and 33 J?cm-2 (right). Cílem úpravy technologie zpracování experimentálních vzorku bylo odstranení práve této heterogenity mikrostruktury. Rozmer vzorku byl proto snížen na hodnoty uvedené na obr. 2 a byla provedena i úprava postupu tvárení, shrnutá v tabulce3. Upravený postup tvárení obsahoval 6 deformací s otácením vzorku strídave o 45? a 90? (viz tabulka 3). Cílem bylo omezení vlivu vznikajícího „kovárského kríže“ a vytvorení co nejhomogennejší mikrostruktury ve vzorku. Tohoto cíle bylo dosaženo, jak doložil metalografický rozbor vzorku.
3
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
V prícném rezu vzorkem ve stredu tvárené délky byla zjištena kruhová symetrie mikrostruktury. Stredová oblast rezu o prumeru cca 6 mm mela homogenní velmi jemnou feritickou mikrostrukturu s rozptýlenými karbidy (obr. 4). Tato oblast dobre odpovídá oblasti s nejvetší hodnotou efektivní deformace (cca 3 – 5) vypoctené pomocí numerické simulace v programu DEFORM 3D. Velikost útvaru na obr. 4, u kterých dosud nebylo prokázáno, zda skutecne jde o zrna s vysokoúhlovými hranicemi, byla nekolika mereními kruhovou metodou zjištena jako 1,7 ? m. Homogenní oblast uprostred vzorku má v podélném rezu približne konstantní rozmer a poskytuje tedy dostatecný objem materiálu napr. pro zkoušku tahem. Tato stredová oblast je lemována prechodovou oblastí, kde se ve feritické mikrostrukture objevují vetší perlitická zrna. Obr. 3 Rozložení efektivní deformace v rezu Na techto vzorcích je vzorkem c. 2 po 6. úberu pripraveno merení mechanických vlastností (mez pevnosti, tažnost, Fig. 3 Distribution of effective deformation in tvrdost) a další experimentální specimen no. 2 section upon 6th reduction postupy pro zhodnocení efektu zjemnení struktury.
4
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Obr. 4 Mikrostruktura vzorku c. 2 v prícném rezu stredem tvárené cásti vzorku Fig. 4 Microstructure of the no. 2 specimen in the cross section of the centre of the forged section Tabulka 3. Postup zpracování vzorku c. 2. Prodlevy po vyjmutí z pece a mezi úbery byly 4 s. Vzorek byl ochlazován tlakovým vzduchem na teplotu okolí za 60 s. Ohrev Rotace 0° Teplota/ Konecná Cas tlouštka [mm] 900°C / 9 1200 s
Rotace 90° Konecná tlouštka [mm] 11
Rotace 45° Konecná tlouštka [mm] 8
Rotace 90° Konecná tlouštka [mm] 10
Rotace 45° Konecná tlouštka [mm] 7
Rotace 90° Konecná tlouštka [mm] 11
Table 3. Processing of the specimen no. 2. The delays between withdrawal of specimen from furnace and beginning of process and between the reductions were 4 seconds. The specimen was subsequently cooled to ambient temperature by means of pressure air in 60 seconds. Další experimenty byly pripravovány s použitím torzního plastometru. Aktivní zóna vzorku mela prumer 5 mm a délku 15 mm. Zkouška probíhala za teploty 700°C s rychlostí 5
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
otácení 19 min-1 . Materiál bez predchozího zpracování, které by zajistilo vyšší plasticitu, vykazuje porušení již pri 1,6 otácky. Nebylo proto dosud možné dosáhnout požadované míry deformace pro zjemnení zrna tak, jako tomu bylo u prodlužovaných vzorku. 3
ZÁVER Vývojem experimentálního zpracování oceli CSN 12050 bylo dosaženo metody pro prípravu vzorku, na kterých je možné testovat mechanické vlastnosti, a to zejména zkouškou tahem. Vzorky zpracované speciálním termomechanickým zpracováním zahrnujícím prodlužování vzorku mezi rovnými kovadly obsahovaly v rozsáhlé stredové oblasti homogenní feriticko-karbidickou mikrostrukturu s velikostí útvaru cca 1,7 ? m. V této oblasti byla numerickou simulací zjištena hodnota celkové efektivní deformace mezi 3 a 5. Byl také dokumentován výrazný vliv stavu mikrostruktury, a to predevším velikosti zrna, na hodnoty vrubové houževnatosti. Na tyto experimenty bude navazovat rada dalších zkoušek a merení. LITERATURA [1] Park K.-T. a kol. Thermal stability and mechanical properties of ultrafine grained low carbon steel. Materials Science and Engineering, sv. A293, 2000, s. 165-173 [2] Internet: http://www.nakayama-steel.co.jp/e/product/nfg.html [3] Shin D. H. a kol. Ultrafine Grained Low Carbon Steels Fabricated by Equal Channel Angular Pressing: Microstructures and Tensile Properties, ISIJ International, sv. 42, 2002, c. 12, s. 1490 – 1496 [4] Hurley P. J., Muddle B. C., Hodgson P. D. The Production of Ultrafine Ferrite during Hot Torsion Testing of a 0.11 Wt Pct C Steel, Metallurgical and Materials Transaction A, sv. 33A 2002, s. 2985 – 2993 [5] Nový Z., J. Drnek a kol. Mechanismy zjemnování zrna ocelí, In Metal 2003: 12.mez. metal. konference: 2003 Hradec nad Moravicí, Ceská republika [CD-ROM]. Ostrava : Tanger.
6
