W pracy opisano badania prowadzące do poprawy własności mechanicznych (ciągliwości) stali typu maraging X2NiCoMo18-9-5 w postaci kęsów kutych o dużym przekroju. Zmodyfikowano proces kucia poprzez zastosowanie większych odkształceń plastycznych w niższych wartościach temperatury w stosunku do tradycyjnej technologii. Opracowano też nową trój-etapową obróbkę cieplną odkuwek. Korzystne zmiany własności przypisano zmniejszonej wielkości ziarna austenitu oraz rozdrobnieniu wtrąceń niemetalicznych

Title:

Improvement in the properties of a maraging steel in the form of forged billets

Słowa kluczowe:

kęsy kute, stal typu maraging, ciągliwość, mikrostruktura, obróbka cieplna

Keywords:

forged billets, maraging steel, ductility, microstructure, heat treatment

Summary:

The paper describes experiments leading to the improvement in the mechanical properties (ductility) of the X2NiCoMo18-9-5 maraging steel in the form of forged billets of a large cross-section. The forging process was modified in relation to the traditional technology by applying higher deformations at lower temperatures. A novel three-stage heat treatment was also developed. The improvement of the properties was attributed to the austenite grain refinements and finer size of non-metallic inclusions

Wysokostopowe stale konstrukcyjne typu maraging o osnowie Fe-Ni-Co-Mo, mające strukturę starzonego martenzytu, są głównie stosowane w postaci odkuwek dla przemysłu lotniczego i kosmicznego. Rutynowe warunki wysokotemperaturowego odkształcania plastycznego często prowadzą do otrzymania niepożądanej struktury i pogorszenia własności, przy czym problemy te nasilają się wraz ze wzrostem przekroju poprzecznego odkuwek [1-4]. O ile silnie przetworzone małe produkty (np. Φ < 30 mm) ze stali typu maraging X2NiCoMo18-9-5 są bardzo jednorodne strukturalnie i w konsekwencji ich własności mechaniczne są dobre, to nie można tego powiedzieć o produktach dużych (np. Φ > 100 mm). Struktura tych ostatnich jest różna w różnych miejscach przekroju poprzecznego (np. wielkość ziarna); zmienny też bywa udział wtrąceń niemetalicznych w poszczególnych wytopach, wykonanych według tej samej technologii. Stąd własności mechaniczne dużych produktów mogą być niezadowalające, a nawet może pojawić się kruchość [4, 6, 7]. Przy wytwarzaniu dużych produktów ważnym etapem technologicznym, który ma znaczenie dla własności stali maraging, jest operacja kucia, a w szczególności takie jej parametry jak wielkość gniotów w poszczególnych zakresach temperatury oraz sposób chłodzenia po kuciu. Kęsy wytworzone w rutynowym cyklu produkcyjnym, obejmującym nagrzewanie do wysokiej temperatury odkształcenia plastycznego, kucie i typowo wolne studzenie, mają na ogół duże ziarno. W celu oceny możliwości poprawy ciągliwości odkuwek o dużym przekroju w artykule podjęto próbę zmian w technologii kucia i obróbki cieplnej po kuciu, która prowadziłaby do uniknięcia wydzieleń na granicach ziaren i rozdrobnienia ziarna byłego austenitu.

Materiał i metodyka

Materiałem do badań była stal typu maraging X2NiCoMo18-9-5 w postaci kęsów kutych o składzie chemicznym zamieszczonym w tab. 1.

Odkształcenie rzeczywiste

Odkształcenie rzeczywiste w procesie kucia określano jako:
ε = ln(Ao/Af), (1)
gdzie Ao i Af to odpowiednio pole przekroju początkowego i pole przekroju końcowego kęsa. Podobnie określano odkształcenie rzeczywiste w próbie mechanicznej rozciągania (odkształcenie pękania εf). Dla tak obliczonego εf w próbie rozciągania w dalszej części tekstu stosowane będzie skrótowe określenie „ciągliwość”.

Pobieranie próbek z kęsów

Przy pobieraniu próbek z dużych produktów, takich jak kęsy Φ 140 mm, zwrócono uwagę na niejednorodność struktury pierwotnej (jak wielkość ziarna), która może wpływać na własności mechaniczne stali oraz rozrzut wyników pomiarów własności. Wielkość ziarna pierwotnego austenitu na przekroju badanych kęsów jest nierównomierna. Przy powierzchni ziarno jest na ogół większe i często o nieregularnych kształtach. W strefie przypowierzchniowej, do około 20 mm od powierzchni, występują znaczne wahania w wielkości ziarna (rys. 1), a dalej w głąb kęsa ziarno jest mniejsze i prawie nie zmienia swoich wymiarów, aż do środka przekroju (jako miarę wielkości ziarna przyjęto średnią wartość siecznych losowych mierzoną na zgładzie metalograficznym).

Próbki do badań własności mechanicznych pobierano w odległości około 25 mm od powierzchni, tj. z obszaru, gdzie wielkość ziarna jest w przybliżeniu stała.

Obróbka cieplna

W obróbce cieplnej próbek wyciętych z kęsów Φ 140 mm zastosowano własne rozwiązanie, mające na celu symulację obróbki cieplnej kęsa o tej samej średnicy (Φ 140 mm). Mianowicie próbki poddawano obróbce cieplnej w specjalnie przygotowanym dwuczęściowym walcu (rys. 2), w którym znajdowały się nieprzelotowe otwory na obrabiane cieplnie próbki. Walec ten miał średnicę Φ 140 mm i został wykonany ze stali typu maraging.

Po włożeniu próbek do otworów walca wolną przestrzeń uzupełniano opiłkami z badanej stali, co zapewniało odpowiednią wymianę ciepła między próbką a walcem, umożliwiając tym samym symulację obróbki cieplnej dużego kęsa.

Pasmowość i austenit szczątkowy

W dużych produktach ze stali typu maraging spotyka się niejednorodność mikrostruktury w postaci pasmowości wywołanej niejednorodnością chemiczną [8]. W niniejszej pracy wykonano próby wykrycia niejednorodności struktury metodą trawienia chemicznego oraz rentgenowskiej analizy dyfrakcyjnej. W celu poprawy warunków trawienia próbki uprzednio starzono w 480°C. Trawieniu chemicznemu poddano próbki z ośmiu kęsów (wytopów). Nie zaobserwowano jednak żadnej niejednorodności. W rentgenograficznych badaniach dyfraktometrycznych w żadnym z badanych kęsów nie wystąpił austenit szczątkowy (zastosowana metoda rentgenograficzna ujawnia udział austenitu powyżej około 1,5%).

Wymienione powyżej badania wykonano w Instytucie Metalurgii Żelaza (IMŻ) w Gliwicach.

Wyniki badań i ich omówienie

Niestandardowa obróbka cieplna kęsów kutych

Struktura i własności dużych kęsów są odmienne od małych produktów, w szczególności dotyczy to wielkości ziarna. Małe produkty po rutynowej przeróbce plastycznej i standardowej obróbce cieplnej charakteryzują się bardzo drobnym ziarnem (typowo 10 μm).

Jeśli w małych produktach z jakiejkolwiek przyczyny wystąpi duże ziarno, to istnieje możliwość jego rozdrobnienia i poprawy własności (ciągliwości). W pracach [4-7] pokazano, że do rozdrobnienia ziarna byłego austenitu (przy dużym ziarnie początkowym) prowadzi przesycanie z 950°C (po uprzednim homogenizowaniu). Obróbka cieplna obejmująca homogenizowanie w 1225°C, przesycanie z 950°C i starzenie w 480°C (3 godz.) jest określana jako „trójetapowa obróbka cieplna” albo „niekonwencjonalna obróbka cieplna” [4]. Natomiast przez standardową obróbkę cieplną rozumie się dwuetapową obróbkę cieplną, obejmującą przesycanie z 830°C i starzenie w 480°C (3 godz.) (rys. 3).

W temperaturze przesycania równej 830°C, stosowanej w standardowej obróbce cieplnej, nie dochodzi jeszcze do rekrystalizacji austenitu i ziarno jest praktycznie tak samo duże jak przed przesycaniem (bezpośrednio po kuciu). Natomiast przesycanie z 950°C stosowane w trójetapowej obróbce cieplnej prowadzi do rekrystalizacji austenitu i w konsekwencji do wydatnego rozdrobnienia ziarna. Porównawcze badania struktur otrzymanych po obu obróbkach cieplnych wykazały istnienie znacznych różnic, szczególnie w wielkości ziarna (rys. 4-6). Na przykład po standardowej obróbce cieplnej kęsy oznaczone literami T, X i Z mają średnią cięciwę ziarna pierwotnego austenitu w zakresie od około 100 μm do 400 μm, a po zastosowaniu trójetapowej obróbki cieplnej ziarno ulega ujednorodnieniu i rozdrobnieniu do około 50-70 μm.

Wyniki badań własności mechanicznych wskazują, że przesycanie z temperatury około 950°C po homogenizowaniu w 1225°C (z chłodzeniem w wodzie po obu operacjach) wpływa korzystnie na ciągliwość kęsów Φ 140 mm (rys. 7).

Eksperymentalną weryfikację wykonano dla kęsa Φ 130 x 500 mm z wytopu G, który obrobiono cieplnie w całości w warunkach niekonwencjonalnych. Przedłużono przy tym całkowity czas homogenizowania i austenityzowania do 2 godzin (tj. dodano godzinę jako czas niezbędny na nagrzewanie). Końcowe starzenie wykonano jednak na gotowych próbkach, gdyż wycinanie próbek po zestarzeniu kęsa było praktycznie niemożliwe; sposób rutynowego nagrzewania i studzenia w niskich wartościach temperatury (poniżej 480°C) nie powinien mieć jednak żadnego wpływu na własności stali. Faktycznie, próbki wycięte z kęsa G obrobione cieplnie w całości miały gorsze własności niż próbki obrobione cieplnie po wycięciu z tego kęsa, nie były to jednak wielkie różnice (np. εf obniżało się z 0,48 do 0,40, tj. o mniej niż 20%).

Próby technologiczne związane z procesem kucia

W celu oceny możliwości wprowadzenia zmian w przemysłowej technologii kucia kęsów ze stali typu maraging wykonano szereg badań i ocen własności mechanicznych i cieplnych odkuwek Φ 140. W celu ustalenia prawidłowych warunków cieplnych w obróbce cieplnej, co jest szczególnie ważne w przypadku dużych produktów, wyznaczono eksperymentalnie ich szybkość chłodzenia i nagrzewania. Na rys. 8 pokazano przebiegi szybkości chłodzenia kęsów Φ 140 mm z temperatury 1225°C i z 1000°C (w wodzie, oleju i powietrzu) oraz przebieg szybkości nagrzewania do temperatury austenityzowania 950°C w stosowanym piecu komorowym.

W dotychczasowej praktyce przemysłowej kucie kęsów wykonywano w zakresie stosunkowo wysokich wartości temperatury – od około 1160 do 980°C, z bardzo wolnym studzeniem po kuciu (kęs pozostawał na kowadle). Po kuciu kęsy podlegały obróbce cieplnej w warunkach standardowych, tj. tak jak na rys. 3a. Pomiary szybkości chłodzenia w różnych ośrodkach (rys. 8) wykazały, że chłodzenie w wodzie umożliwia wystudzenie wnętrza kęsa Φ 140 mm (1/3 promienia od powierzchni) do wartości 200°C w ciągu około 1000 s, podczas gdy studzenie naturalne w powietrzu zajmuje około 10 000 s. Tak wydatne skrócenie czasu chłodzenia w wodzie powinno zapobiec wydzielaniu się węglików tytanu na granicach ziaren i przyczynić się do poprawy ciągliwości kęsów.

Inna próba technologiczna, polegająca na pięciokrotnym schładzaniu w wodzie kęsa Φ 140 mm z temperatury 1225°C wykazała, że kęs ze stali X2NiCoMo18-9-5 nie jest podatny na mikropęknięcia hartownicze, natomiast pojawia się przy tym niewielka deformacja kształtu.

Wpływ parametrów kucia na własności odkuwek

W oparciu o wyżej opisane wyniki badań i prób technologicznych oraz techniczną analizę warunków hutniczych (HZWD „Mikrohuta”) uznano za celowe wprowadzenie zmian w technologii kucia polegające na tym, że końcowe kucie będzie wykonane w zakresie wartości temperatury od 980 do 830°C, a kęsy po kuciu będą chłodzone w wodzie. W ten sposób podczas końcowego kucia kęsów z Φ 150 na Φ 130 mm w niższych wartościach temperatury zrealizowano dość duże odkształcenia plastyczne ε = 0,29 (25%). Eksperymenty związane z analizą wpływu przeróbki plastycznej na gorąco na własności mechaniczne kęsów Φ 130 mm przeprowadzono na czterech specjalnie przygotowanych wlewkach przemysłowych. Trzy kęsy oznaczone literami: F, J, L, odkuto w sposób tradycyjny (technologia I), a trzy inne kęsy oznaczone G, H i K – w sposób zmodyfikowany (technologia II). Kęsy F i G pochodziły z dwóch różnych wlewków wytopionych w próżniowym piecu indukcyjnym (ppi). Natomiast kęsy J i H pochodziły z jednego przepołowionego wlewka wytopionego w próżniowym piecu łukowym (ppł), z wlewka wytopionego w procesie ppi; podobnie kęsy L i K wykonano z jednego wlewka (otrzymanego w procesie ppi + ppł). Aby zmniejszyć rozrzuty wyników związane z ewentualną niejednorodnością, z każdej pary kęsów J i H oraz L i K, próbki do badań mechanicznych i mikrostrukturalnych pobierano z miejsc sąsiadujących ze sobą w macierzystym wlewku. Po niekonwencjonalnej obróbce cieplnej we wszystkich kęsach otrzymano podobne wartości wytrzymałości (około 1760 MPa), natomiast wartości ciągliwości kęsów odkutych według nowej technologii (kęsy G, H, K) były wyraźnie wyższe. I tak w kęsach F i G otrzymano odpowiednio:

εf = 0,23 i 0,48, w kęsach J i H εf = 0,31 i 0,35, a w kęsach L i K εf = 0,28 i 0,33.

Nieopisane tutaj wyniki badań mikrostrukturalnych kęsów odkutych według nowej technologii pozwoliły zaobserwować większe rozdrobnienie wtrąceń niemetalicznych (głównie siarczków), jak i korzystniejszą morfologię wtórnych wydzieleń węglikowych na granicach ziaren byłego austenitu. Wszystkie te zmiany w morfologii wtrąceń i wydzieleń, w połączeniu z rozdrobnieniem ziarna byłego austenitu, doprowadziły do poprawy ciągliwości kęsów odkutych według nowej technologii.

Podsumowanie

Kęsy kute o dużym przekroju ze stali typu maraging X2NiCoMo18-9-5 mają z reguły znacznie gorsze własności plastyczne w porównaniu do małych produktów. W pracy podjęto próbę poprawy własności mechanicznych (ciągliwości) kęsów Φ 140 mm poprzez zmodyfikowany proces kucia, a w szczególności większe odkształcenia plastyczne w niższych wartościach temperatury (w stosunku do tradycyjnej technologii). Opracowano też nową trójetapową obróbkę cieplną złożoną z homogenizowania, przesycania (ze znacznie podwyższoną temperaturą) i starzenia, która zastępuje obróbkę standardową.

Uzyskano poprawę ciągliwości kęsów kutych, przy zachowaniu praktycznie tej samej wartości wytrzymałości. Te korzystne zmiany własności produktów o dużym przekroju ze stali typu maraging przypisano wielu czynnikom, w tym rozdrobnieniu wtrąceń niemetalicznych oraz mniejszej wielkości ziarna austenitu, w efekcie zastosowania zmienionej technologii kucia i nowej trójetapowej obróbki cieplnej.

Piśmiennictwo

  1. Nathália Cândido Figueiredo, Silva de Oliveira C.A., Masoumi M., Ferreira Gomes de Abreu H.: Microstructural variations at different distance from the surface in forged 18 Ni C300 maraging steel. „Journal of Materials Research and Technology”, 8 (1)/2019, s. 284-291.
  2. Chakravarthi K.V.A., Koundinya N.T.B.N., Narayana S., Boggarapu R.: Microstructure, properties and hot workability of M300 grade maraging steel. „Defence Technology”, 14 (1)/2018, s. 51-58.
  3. Pawlak S.J., Zalecki W.: Microstructure, properties and hot deformability of the new maraging steels. „Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering”, 29 (1)/2008, s. 31-38.
  4. Pawlak S.J.: Ciągliwość i mechanizmy pękania superwytrzymałych stali konstrukcyjnych. Wydawnictwa AGH, Kraków 2018.
  5. Pawlak S.J.: Wpływ warunków austenityzowania na ciągliwość i odporność na pękanie konstrukcyjnej stali maraging X2NiCoMo18-9-5. „STAL Metale & Nowe Technologie”, nr 1-2/2019, s. 64-69.
  6. Pawlak S.J.: Wpływ warunków austenityzowania na ciągliwość i odporność na pękanie konstrukcyjnej stali maraging X2NiCoMo18-9-5, cz. II. „STAL Metale & Nowe Technologie”, nr 3-4/2019, s. 38-39.
  7. Pawlak S.J.: Mikrostrukturalne aspekty zmian ciągliwości konstrukcyjnej stali martenzytycznej X2NiCoMo18-9-5. „STAL Metale & Nowe Technologie”, nr 5-6/2019, s. 76-82.
  8. Ahmed M., Salam I., Hasmii F.H., Khan A.Q.: Influence of banded structure on the mechanical properties of a high-strength maraging steel. „Journal of Materials Engineering and Performance”, vol. 6, no. 2, 1997, s. 165-171.
zdjęcia: autor

Rys. 1. Rozkład wielkości ziarna pierwotnego austenitu na przekroju poprzecznym kęsów kutych ze stali typu maraging X2NiCoMo18-9-5

Rys. 2. Dwuczęściowy walec do symulacji obróbki cieplnej kęsów kutych, z widocznymi otworami na próbki

Rys. 3. Schemat obróbki cieplnej kęsów kutych: a) standardowa, b) trójetapowa

Rys. 4. Przykład rozdrobnienia ziarna pierwotnego austenitu w kęsie T (Φ 140 mm) ze stali typu maraging: a) po standardowej obróbce cieplnej, b) po trójetapowej obróbce cieplnej

Rys. 5. Przykład rozdrobnienia ziarna pierwotnego austenitu w kęsie X (Φ 140 mm) ze stali typu maraging: a) po standardowej obróbce cieplnej, b) po trójetapowej obróbce cieplnej

Rys. 6. Przykład rozdrobnienia ziarna pierwotnego austenitu w kęsie Z (Φ 140 mm) ze stali typu maraging: a) po standardowej obróbce cieplnej, b) po trójetapowej obróbce cieplnej

Rys. 7. Wpływ temperatury przesycania po homogenizowaniu (z chłodzeniem w wodzie po obu operacjach) na ciągliwość starzonych kęsów z wytopów T, X i Z; poziomymi odcinkami zaznaczono własności po standardowej obróbce cieplnej (830°C + 480°C, 3 godz.) – próbki poprzeczne
Rys. 8. Przebiegi szybkości chłodzenia kęsa Φ 140 mm ze stali X2NiCoMo18-9-5 w różnych ośrodkach oraz szybkość nagrzewania w piecu komorowym

Tab. 1. Tab. 1. Skład chemiczny próżniowych wytopów przemysłowych (1 Mg) stali typu maraging X2NiCoMo18‑9‑5
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij