K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N – O D D Z I A Ł W P O Z N A N I U

Vol. 27 nr 1

Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji

2007

JERZY STĘPIEŃ

*

BADANIA STRUKTURALNE

MECHANIZMU ODKSZTAŁCENIA NA ZIMNO STALI

PRZEZ ZGNIATANIE OBROTOWE

Zgniatanie obrotowe na zimno stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V stosuje się w celu uzyskania

w wyrobie gotowym bardzo drobnej struktury. Uzyskanie bardzo drobnej struktury pozwala na
podwyższenie właściwości wytrzymałościowych wyrobu gotowego przy bezpiecznym poziomie
wydłużenia A

5

powyżej 10%. Zgniatanie obrotowe wykonano na dwóch stanowiskach: na stanowi-

sku doświadczalnym FPS Bolechowo, stosując stal wytapianą z zastosowaniem pozapiecowej
obróbki próżniowej VAD, i na stanowisku produkcyjnym niemieckiej firmy MSR, stosując stal
przetapianą elektrożużlowo EŻP. Stwierdzono, że mikrostruktura stali EŻP jest bardziej jednorod-
na i bardziej drobnoziarnista niż stali VAD, zarówno po ulepszaniu cieplnym jak i po zgniataniu
obrotowym na zimno. Niskowęglowa stal Cr-Mn-Mo-V po hartowaniu z temperatury 970

°C

i odpuszczaniu w temperaturze ok. 660

°C ma wydłużenie A

5

od 12,0 do 12,9% przy R

m

od 1114

do 1154 MPa i spełnia założone kryteria: przy R

m

= 1080

÷ 1280 MPa A

5

10. Po odkształceniu

na zimno wytrzymałość tej stali wzrasta do ok. 1500 MPa.

≥

Słowa kluczowe: zgniatanie obrotowe, odkształcanie na zimno, struktura, martenzyt, ulepsza-

nie cieplne

1. WSTĘP

Zgniatanie obrotowe na zimno stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V stosuje się

w celu uzyskania w wyrobie gotowym bardzo drobnej struktury. Uzyskanie bar-
dzo drobnej struktury pozwala na podwyższenie właściwości wytrzymałościo-
wych wyrobu gotowego przy bezpiecznym poziomie wydłużenia A

5

powyżej

10%. Stanem wyjściowym przed zgniataniem obrotowym jest struktura marten-
zytu odpuszczonego. Wyroby po odkształceniu na gorąco podlegają obróbce
cieplnej i obróbce mechanicznej. Po ulepszaniu cieplnym mają następujące wła-
ściwości: R

m

= 1080

÷ 1280 MPa i A

5

%, a po zgniataniu obrotowym na

zimno: R

10

≥

m

= 1380

÷ 1500 MPa i A

5

% [2, 3]. Po zgniataniu obrotowym uzy-

skano w wyrobie strukturę silnie rozdrobnionego martenzytu listwowego umoc-

7

≥

* Dr inż. – Instytut Metalurgii Żelaza im. S. Staszica w Gliwicach.

J. Stępień

170

nionego wydzieleniami i pasmami odkształcenia ułożonymi w objętości wyrobu
w wielu kierunkach. Zgniatanie obrotowe wykonano na dwóch stanowiskach: na
stanowisku doświadczalnym FPS Bolechowo i na stanowisku produkcyjnym
niemieckiej firmy MSR. Na stanowisku doświadczalnym próby zgniatania obro-
towego wykonano na wyrobie ze stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V

wytapianej

w piecu elektrycznym z zastosowaniem pozapiecowej obróbki próżniowej (stal
VAD) i modyfikacji wtrąceń niemetalicznych wapniem, a na stanowisku pro-
dukcyjnym firmy MSR zgniatanie obrotowe wykonano na wyrobie z tego same-
go gatunku stali dodatkowo przetapianej elektrożużlowo (stal EPŻ). Na podsta-
wie badań strukturalnych stwierdzono, że struktura w wyrobach ze stali EPŻ jest
bardziej jednorodna i daje się bardziej rozdrobnić niż struktura wyrobów ze stali
VAD.

2. MATERIAŁ BADAŃ

Badaniom strukturalnym poddano próbki ze stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V

pochodzące z wytopów VAD i EPŻ, pobranych z półwyrobów wyciskanych na
gorąco i z wyrobów zgniatanych na zimno. Wymagany skład chemiczny i wyni-
ki analiz wytopowych stali VAD i EPŻ przedstawiono w tablicy 1.

Tablica 1

Skład chemiczny stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V oraz wyniki analiz wytopowych stali VAD i EPŻ

Chemical composition of low-carbon Cr-Mn-Mo-V steel and ladle chemical analysis of VAD and

ESR steel

Skład chemiczny [%]

Stal

C Mn Si P S Cr Ni Mo V Cu Al Ca

Skład
wyma-
gany

0,12
0,18

0,80
1,00

max
0,20

max

0,020

max

0,015

1,25
1,50

max
0,40

0,80
1,00

0,20
0,30

max
0,10

0,01
0,03

min

0,002

VAD

0,17 0,89 0,20 0,013

0,011

1,40 0,09 0,84 0,26 0,10 0,019 0,005

EPŻ

0,15 0,88 0,09 0,011

0,003

1,35 0,08 0,83 0,25 0,10 0,034

–

Wyciskanie na gorąco wyprasek stanowiących wsad do zgniatania na zimno

prowadzono na prasie z kęsa kwadratowego o przekroju 130

×130 mm. Po wyci-

skaniu na gorąco wypraski poddawano zabiegowi ulepszania cieplnego polega-
jącego na hartowaniu w oleju z temperatury 970

°C i odpuszczaniu w temperatu-

rze 660

°C. Po obróbce cieplnej wypraski obrabiano mechanicznie, nadając im

ostateczny wymiar do zgniatania obrotowego na zimno. Wypraski do zgniatania
obrotowego na stanowisku doświadczalnym FPS Bolechowo (wypraski ze stali

Badania strukturalne mechanizmu odkształcenia na zimno stali ...

171

VAD) i firmy MSR (wypraski ze stali EPŻ) miały następujące wymiary: średni-
ca wewnętrzna

φ116,02 mm, grubość ścianki 6,1 mm i długość 510 mm.

Na stanowisku doświadczalnym FPS po zgniataniu na zimno uzyskano wy-

rób o następujących wymiarach: długość ponad 1700 mm, średnica zewnętrzna
122 mm, zmienna grubość ścianki od 3 mm (w początkowej części zgniatania
obrotowego wyrobu) do grubości niejednorodnej mieszczącej się w zakresie od
1,6 do 1,8 mm. Natomiast na stanowisku produkcyjnym MSR uzyskano wyroby
o długości powyżej 1700 mm, średnicy wewnętrznej 116 mm i zmiennej grubo-
ści ścianki od 1,5 mm (część środkowa wyrobu) do 3 mm (w częściach przedniej
i tylnej wyrobu), gdzie średnica zewnętrzna wyniosła 122 mm.

3. ZAKRES I METODYKA BADAŃ WYPRASEK ZE STALI 15HGMV

Na wycinkach wyprasek ze stali niskowęglowej Cr-Mn-Mo-V, pochodzących

z wytopów VAD i EPŻ pobranych po poszczególnych etapach: wyciskania na
gorąco, po obróbce cieplnej i po zgniataniu na zimno, wykonano:

− badania mikrostruktury na mikroskopie świetlnym,

− badania mikrostruktury na mikroskopie skaningowym,

− badania mikrostruktury na elektronowym mikroskopie prześwietleniowym,
− badania właściwości mechanicznych.
Mikrostrukturę obserwowano za pomocą mikroskopu świetlnego, mikrosko-

pu skaningowego i elektronowego mikroskopu prześwietleniowego. Obserwacje
pod mikroskopami świetlnym i skaningowym prowadzono na zgładach metalo-
graficznych, a na elektronowym mikroskopie prześwietleniowym na cienkich
foliach. Właściwości plastyczne i wytrzymałościowe wyznaczono w próbie roz-
ciągania na maszynie wytrzymałościowej Instron o maksymalnym obciążeniu
200 kN. Właściwości mechaniczne zostały określone zgodnie z normą PN-91/H-
-04310.

4. WYNIKI BADAŃ WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH I STRUKTURALNYCH

Na odcinkach próbek wyciętych z wyrobów po zgniataniu obrotowym na

zimno oznaczono właściwości: R

m,

R

0,2

, twardość HB i A

5

. Wyniki przedstawio-

no w tablicy 2.

Przykłady mikrostruktur obserwowanych pod mikroskopem świetlnym za-

mieszczono na rys. 1 – 3. Na rysunku 1 przedstawiono strukturę wysoko od-
puszczonego martenzytu występującą w wyprasce po ulepszaniu cieplnym przed
zgniataniem na zimno.

J. Stępień

172

Tablica 2

Wyniki badań właściwości mechanicznych wyrobów ze stali 15HGMV po zgniataniu na zimno

w warunkach przemysłowych

Results of investigations of mechanical properties of 15HGMV steel after cold deformation at

industry conditions

Parametry obróbki

cieplnej

Miejsce

pobrania próbki

R

m

[MPa]

R

0,2

[MPa]

A

5

[%]

Twardość

HB

1

1241 1147

8,0

342

2

1105 1020

8,0

314

Nr 1
H: 970

°C

O: 660

°C

3

1253 1139

6,9

348

Tablica 3

Wyniki badań właściwości mechanicznych kadłubów ze stali 15HGMV po obróbce cieplnej i po

zgniataniu obrotowym na zimno w warunkach przemysłowych

Results of investigations of mechanical properties of rocket case of 15HGMV steel after the heat

treatment and cold deformation at industry conditions

Zgniatarka

Grubość

ścianki

[mm]

Twardość HV

Wartość

średnia

HV

R

m

[MPa]

R

0,2

[MPa]

A

5

[%]

3 330,327,330,330

329

1134

985 12,6

FPS

1,6÷1,8 351,348,348,349 349 1001 856

15,0

3 380,380,380,383

381

1002

899 12,7

MSR

1,5 441,441,441,437

440

898 799 16,4

Rys. 1. Przykładowy obraz mikrostruktury wyprasek po ulepszaniu cieplnym (hartowanie z tempe-
ratury 970

°C i odpuszczanie w temperaturze 660°C) przed zgniataniem na zimno (pow. 500×)

Fig. 1. Example of the picture of microstructure of moulding after heat treatment (quenching from
970

°C and tempering at 660°C) before cold deformation (magn. 500×)

Na rysunkach 2 i 3 pokazano strukturę wyrobów zgniatanych obrotowo na sta-

nowisku doświadczalnym FPS (rys. 2) i na stanowisku produkcyjnym MSR (rys. 3).
W obu przypadkach jest to struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu.

Badania strukturalne mechanizmu odkształcenia na zimno stali ...

173

a)

b)

Rys 2. Mikrofotografie świetlne mikrostruktury wyrobu po ulepszaniu cieplnym (hartowanie z
temperatury 970

°C, odpuszczanie w temperaturze 660°C) i zgniataniu na zimno na stanowisku

doświadczalnym FPS (stal z wytopu VAD); struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu
na przekroju ścianki o grubości: a) 3 mm, b) 1,6÷1,8 mm (pow. 800

×)

Fig. 2. Microstructures of product after quenching and tempering (quenching from 970

°C and

tempering at 660

°C) and after cold rotary extrusion on the experimental stand FPS (VAD steel).

The structure of deformed and tempered martensite on the section thickness of 3 mm (a) and of
1.6÷1.8 mm (b) (magn. 800

×)

a) b)

Rys. 3. Mikrofotografie świetlne mikrostruktury wyrobu po ulepszaniu cieplnym (hartowanie z
temperatury 970

°C, odpuszczanie w temperaturze 660°C) i zgniataniu na zimno na stanowisku

produkcyjnym MSR (stal z wytopu EPŻ); struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu na
przekroju ścianki o grubości: a) 3 mm, b) 1,5 mm (pow. 800

×)

Fig. 3. Microstructures of product after quenching and tempering (quenching from 970

°C and tem-

pering at 660

°C) and after cold rotary extrusion on the industry stand MSR (ESR steel). The structure

of deformed and tempered martensite on the section thickness of 3 mm (a) and of 1.5 mm (b)
(magn. 800

×)

Struktura wyrobów po ulepszaniu cieplnym w obu zastosowanych wariantach

wytapiania stali składała się z martenzytu wysoko odpuszczonego. Po zgniataniu
na zimno struktura była różna pod względem stopnia jednorodności i stopnia
rozdrobnienia. Bardziej jednorodna i bardziej rozdrobniona była struktura ze
stali przetapianej elektrożużlowo (EŻP) zgniatana obrotowo na stanowisku pro-
dukcyjnym MSR.

Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono przykłady struktur obserwowanych pod

mikroskopem skaningowym. Na rysunku 4 przedstawiono strukturę stali wyta-
pianej z zastosowaniem obróbki VAD, zgniatanej obrotowo na zimno na stano-
wisku doświadczalnym FPS.

J. Stępień

174

a)

b)

c)

)

Rys. 4. Mikrofotografie skaningowe mikrostruktury wyrobu po ulepszaniu ciepln
z temperatury 970

°C, odpuszczanie w temperaturze 660°C) i zgniataniu na zimno na stanowisku

d

ym (hartowanie

doświadczalnym FPS (stal z wytopu VAD); struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu
na przekroju ścianki o grubości: a) 3 mm, b) 1,6÷1,8 mm
Fig. 4. The scanning microstructures of product after quenching and tempering (quenching from
970

°C and tempering at 660°C) and after cold rotary extrusion on the experimental stand FPS

(VAD steel). The struct. of deformed and tempered martensite on the section thickness of 3 mm
(a) and of 1.6÷1.8 mm (b)

a)

b)

c)

d)

Rys. 5. Mikrofotografie skaningowe mikrostruktury wyrobu po ulepszaniu cieplnym (hartowanie z
temperatury 970

°C, odpuszczanie w temperaturze 660°C) i zgniataniu na zimno na stanowisku

produkcyjnym MSR (stal z wytopu EPŻ); struktura odkształconego odpuszczonego martenzytu na
przekroju ścianki o grubości: a) 3 mm, b) 1,5 mm
Fig. 5. The scanning microstructures of product after quenching and tempering (quenching from
970

°C and tempering at 660°C) and after cold rotary extrusion on the industry stand MSR (ESR

steel). The structure of deformed and tempered martensite on the section thickness of 3 mm (a) and
of 1.5 mm (b)

Badania strukturalne mechanizmu odkształcenia na zimno stali ...

175

a) b)

Rys. 6. Mikrostruktura obserwowana na TME po zgniataniu obrotowym na zimno na stanowi-
skach doświadczalnym FPS (a) i produkcyjnym MSR (b) w stalach VAD (a) i EŻP (b); uzyskano
drobną strukturę zbudowaną z cienkich listew martenzytu odpuszczonego
Fig. 6. TEM microstructures after cold rotary extrusion on the experimental stand of FPS (a) and indus-
try stand of MSR (b). The fine-structure composed of thin lath of tempered martensite was obtained

Na rysunku 6 przedstawiono strukturę wyrobów badanych elektronowym

mikroskopem prześwietleniowym. W strukturze po zgniataniu obrotowym na
zimno występują pasma odkształcenia ułożone przestrzennie w różnych kierun-
kach. Drobniejsze listwy martenzytu uzyskano w stali EŻP zgniatanej obrotowo
na stanowisku produkcyjnym MSR.

5. PODSUMOWANIE

Mikrostruktura niskowęglowej stali Cr-Mn-Mo-V przetapianej elektrożużlo-

wo (stal EŻP) jest bardziej jednorodna i bardziej drobnoziarnista niż stali wyta-
pianej z zastosowaniem pozapiecowej obróbki próżniowej (stal VAD), zarówno
po ulepszaniu cieplnym jak i po zgniataniu obrotowym na zimno. Ponadto, w
stali EŻP występuje znacznie mniejsza pasmowość wywoływana segregacją
składu chemicznego (głównie C i Mn). Po zgniataniu obrotowym na zimno na
stanowiskach doświadczalnym FPS i produkcyjnym MSR w stalach VAD i EŻP
uzyskano drobną strukturę, która zbudowana jest z cienkich listew martenzytu
odpuszczonego. W strukturze występują pasma odkształcenia ułożone prze-
strzennie w różnych kierunkach oraz węgliki chromu i molibdenu typu M

6

C

(węgliki te spotykano bardzo często w stali VAD) i węgliki wanadu typu MC.

J. Stępień

176

Drobniejsze listwy martenzytu uzyskano w stali EŻP zgniatanej obrotowo na
stanowisku produkcyjnym MSR.

Niskowęglowa stal Cr-Mn-Mo-V po hartowaniu z temperatury 970

°C i od-

puszczaniu w temperaturze ok. 660

°C ma wydłużenie A

5

od 12,0 do 12,9% przy

R

m

od 1114 do 1154 MPa, co spełnia założone kryteria: przy R

m

od 1080 do

1280 MPa A

5

10. Po odkształceniu na zimno wytrzymałość wzrasta do ok.

1500 MPa.

≥

6. WNIOSKI

Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski:
1. W wyniku zgniatania obrotowego na zimno niskowęglowej stali Cr-Mn-

-Mo-V (15HGNMV), wytapianej elektrożużlowo i z zastosowaniem procesu
VAD, uzyskuje się drobną strukturę zbudowaną z cienkich listw odpuszczonego
martenzytu z pasmami odkształcenia rozmieszczonymi w różnych kierunkach
w przestrzeni.

2. Z badań za pomocą TEM wynika, że zarówno stal VAD, jak i stal EŻP

nie mają steksturowania i powinny wykazywać właściwości izotropowe. Nie
występuje uprzywilejowany kierunek wydłużenia pasm odkształcenia w stosun-
ku do kierunku i płaszczyzny płynięcia metalu podczas odkształcenia.

3. W wyrobach ze stali 15HGNMV po obróbce cieplnej obejmującej harto-

wanie z temperatury 970

°C i odpuszczanie w temperaturze 660°C uzyskuje się

strukturę wysoko odpuszczonego martenzytu, granicę wytrzymałości na pozio-
mie 1114–1253 MPa i wydłużenie A

5

na poziomie 12,0–12,9% spełniające wy-

magania.

4. Wyroby ze stali 15HGNMV ulepszone cieplnie po zgniataniu obrotowym

na zimno uzyskują granicę wytrzymałości w zakresie od 1155 do 1245 MPa –
stal VAD (grubość ścianki od 3 do 1,6 mm) i w zakresie od 1322 do 1527 MPa –
stal EŻP (grubość ścianki od 3 do 1,5 mm).

5. Stal 15HGNMV przetapiana elektrożużlowo (EŻP) pozwala na uzyskanie

bardziej drobnoziarnistej struktury po ulepszaniu cieplnym niż stal wytopiona z
zastosowaniem pozapiecowej obróbki próżniowej (VAD). Bardziej drobnoziar-
nista struktura stali EŻP podczas zgniatania obrotowego na zimno umożliwia
uzyskanie większych odkształceń (

ε

= 1,4) niż stal VAD (

ε

= 1,2), a tym samym

większych wartości wytrzymałości, korzystniejszych pod względem właściwości
eksploatacyjnych wyrobów.

Badania strukturalne mechanizmu odkształcenia na zimno stali ...

177

LITERATURA

[1] AIR Nr 9160C071, norma francuska.
[2] Stępień J., Paduch J., Wstępny dobór gatunku stali na kadłub silnika GRAD. Sprawozdanie

IMŻ nr B- 01058 /BM/ 99, Gliwice 1999 (niepublikowane).

[3] Stępień J., Paduch J., Bołd T., Dobór gatunku stali na wyroby specjalne, in: Badania i rozwój

systemu BN-21 oraz nowoczesnej amunicji artyleryjskiej. Materiały konferencyjne, Koło-
brzeg, 21–24 kwietnia 1999.

Praca wpłynęła do Redakcji 23.03.2007

Recenzent: dr hab. inż. Jan Materniak

STRUCTURAL INVESTIGATION OF THE DEFORMATION MECHANISM AFTER

COLD ROTARY EXTRUSION

S u m m a r y

Microstructure low-carbon Cr-Mn-Mo-V electro-slag remelted (ESR) steel was more homoge-

nous and more fine-grained than vacuum argon decarburization (VAD) steel. The same was found
after quenching and tempering and after cold rotary extrusion. Also, ESR steel has more lower
banding structure introduced by segregation of chemical composition (major C and Mn). After
cold rotary extrusion on the experimental stand of FPS and industry stand of MSR, both VAD and
ESR steels had a fine-structure, witch was composed of thin lath tempered martensite. In the struc-
ture deformation bands appeared arranged in space in different directions and carbides of chro-
mium and molybdenum type M

6

C (this carbides often were found in the VAD steel) and carbides

vanadium type MC. The fine laths of martensite received in the ESR steel were deformed on the
industry stand MSR.

The low-carbon Cr-Mn-Mo-V steel after quenching from 970

°C and tempering at about 660°C

has elongation A

5

= from 12.6 to 12.9% and strength R

m

= from 1114 to 1154 MPa and fulfils

criteria of standards: R

m

= from 1080 to 1280 MPa, A

5

10. After cold rotary extrusion strength

incrased to about 1500 MPa.

≥

Key words: rotary extrusion, cold deformation, structure, martensite, quenching and tempering

J. Stępień

178