Design of Controlled Processing Conditions for Drop Forgings Made of Microalloy Steel Grades for Mining Industry

• Autorzy: Skubisz P. , Żak A. , Burdek M. , Lisiecki Ł. , Micek P.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0073

Warianty tytułu

PL

Dobór warunków obróbki cieplnomechanicznej odkuwek matrycowych ze stali mikrostopowych dla górnictwa

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Effect of plastic processing and controlled cooling on microstructure and mechanical properties of experimental steel grades with microalloyed with Ti, V and/or Nb, varying in the content of Mo is presented as an offer for mining industry for replacement traditionally heat-treatable hardenability grades. The goal of the work is producing microstructure condition, which after controlled hot forging and direct heat treatment, involving quenching and self-tempering, are meant to provide good combination of mechanical properties, such as TYS 800 MPa, UTS 1050 MPa, elongation to fracture at least A5 15% and/or impact strength at room temperature KCV 60 J/cm2. Hardenability assessment and dilatometric examination allowed formulation of direct heat treatment guidelines, taking into consideration fields of temperature and strain in a typical hot forging process, estimated numerically, with the use of plastometric tests results, as well as the use of unique cooling cycles after forging. On the basis of numerical analysis of thermomechanical parameters and temperature progression, hot forging and direct cooling conditions were selected to achieve assumed structural components, morphology and dispersion of both grain and precipitates. For established heat transfer model and experimentally plotted cooling curves numerical analysis of direct cooling, enabled by definition of characteristic points of austenite transformation and CCT diagrams was conducted. The modeling aided with dilatometric characterization enabled prediction of transformation products distribution. The formulated conclusions were verified in the experimental sampling of forging, evaluating the applicability of designed combinations of chemical composition and cooling cycle for selected forged part for mining industry.

PL

Przedstawiono badania wpływu warunków odkształcania na gorąco i kontrolowanego chłodzenia na efektywność umocnienia eksperymentalnych stali z mikrododatkami Nb, Ti oraz V o zmiennej zawartości Mo. Pierwszym etapem pracy było zaprojektowanie składów chemicznych stali mikrostopowych, które po kontrolowanym kuciu na gorąco oraz obróbce cieplnej, polegającej na zahartowaniu i samoodpuszczeniu odkuwki bezpośrednio po kuciu, pozwolą na uzyskanie właściwości mechanicznych, tj.: granicy plastyczności 800 MPa, wytrzymałości na rozciąganie 1050 MPa, wydłużeniu A 5 15% i udarności w temperaturze otoczenia KCV 60 J/cm2. W oparciu o wyniki badań hartowności i analizę dylatometryczną opracowano wytyczne bezpośredniej obróbki cieplnej, uwzględniając obliczenia równowagi faz i wpływ temperatury na udział wydzieleń w wybranych wytopach oraz wyznaczone numerycznie pola temperatur dla typowego procesu kucia na gorąco, oparte o próby plastometryczne na symulatorze Gleeble 3800, oraz kontrolowane chłodzenie po kuciu. W oparciu numeryczną analizę parametrów termo-mechanicznych i zmian temperatury odkuwki modelowej dobrano warunki procesu kształtowania oraz schematy chłodzenia mgłą oraz przyspieszonym powietrzem, mające zapewnić założony skład strukturalny, morfologię oraz rozdrobnienie ziarna i cząstek umacniających. Na podstawie wyznaczonych punktów charakterystycznych i wykresów CTPc dla opracowanego modelu wymiany ciepła oraz uzyskanych krzywych chłodzenia wykonano analizę numeryczną bezpośredniej obróbki cieplnej, określając udział produktów przemian, podczas anizotermicznego chłodzenia bezpośrednio po kuciu. Wyniki modelowania zweryfikowano w doświadczalnych próbach kucia przeprowadzonych dla wybranych wariantów składu chemicznego i warunków chłodzenia, określając stosowalność opracowanych kombinacji składu chemicznego i obróbki dla wybranej odkuwki dla górnictwa.

Słowa kluczowe

EN

microalloyed steel; thermomechanical processing; direct cooling; hammer forging; grain control

PL

stal mikrostopowa; obróbka termomechaniczna; chłodzenie bezpośrednie; kucie młotem; kontrola ziarna

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 1
• Strony: 445--453
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Skubisz P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Żak A.

• Ferrous Metals Institute, 12-14 K. Miarki Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Burdek M.

• Ferrous Metals Institute, 12-14 K. Miarki Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Lisiecki Ł.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Micek P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] R. Kuziak, R. Kawalla, S. Waengler, Advanced high strength steels for automotive industry, Arch. Civ. Mech. Eng. 8, 103-117 (2008).
• [2] D. K. Matlock, G. Krauss, J. G. Speer, Microstructures and prop-erties of direct cooled microalloy forging steels, J. Mat. Proc. Techn. 117, 324-328 (2001).
• [3] A. G. Kostryzhev, A. Al Sharami, C. Zhu [et al.], Effect of niobium clustering and precipitation on strength of an NbTi-microalloyed ferritic steel. Mat. Sci. Eng. A 607, 226-235 (2014).
• [4] J. Adamczyk, M. Opiela, Engineering of Forged Products of Microalloyed Constructional Steels, J. Arch. Mater. Manuf. Eng. 15, 153-158 (2006).
• [5] M. Opiela, Effect of Thermomechanical Processing on the Mi-crostructure and Mechanical Properties of Nb-Ti-V Microal-loyed Steel, J. Mat. Eng. Perf. 23, 3379-3388 (2014).
• [6] J. Majta, J. G. Lenard, M. Pietrzyk, A study of the effect of the thermomechanical history on the mechanical properties of a high niobium steel, Mat. Sci. Eng. 4208, 249-259 (1996).
• [7] M. L. N. da Silva, W. Regone, S. T. Button, Microstructure and mechanical properties of microalloyed steel forgings manufactured from cross-wedge-rolled preforms, Scripta Materialia 54, 213-217 (2006).
• [8] M. Opiela, A. Grajcar, Elaboration of forging conditions on the basis of the precipitation analysis of MX-type phases in microalloyed steels, Arch. Civ. Mech. Eng. 12, 427-435 (2012).
• [9] Y. Wang, C. Feng, F. Y. Xu, Influence of Nb on Microstructure and Property of Low-Carbon Mn-Series Air-Cooled Bainitic Steel, J. Iron Steel Res. Intern. 17, 49-53 (2010).
• [10] ASM Handbook vol. 4, Heat Treating. ASM International Handbook Committee, Ohio (1992).
• [11] N. T. Switzner, C. J. Van Tyne, M. C. Mataya, Effect of forging strain rate and deformation temperature on the mechanical properties of warm-worked 304L stainless steel, J. Mat. Proc. Techn. 210, 998-1007 (2010).
• [12] P. Skubisz, H. Adrian, J. Sińczak, Controlled cooling of drop forged microalloyed steel automotive crankshaft, Arch. Metall. Mat. 56, 93-107 (2011).
• [13] T. Sakai, A. Belyakov, R. Kaibyshev, H. Miura, J. J. Jonas, Dynamic and post-dynamic recrystallization under hot, cold and severe plastic deformation conditions, Progr. Mat. Sci. 60, 130-207 (2014).
• [14] M. Mukherjee, U. Prahl, W. Bleck, Modelling of Microstructure and Flow Stress Evolution during Hot Forging, Steel Res. Intern. 81, 1102-1116 (2010).
• [15] P. Skubisz, P. Micek, J. Sińczak, M. Tumidajewicz, Automated determination and on-line correction of emissivity coefficient in controlled cooling of drop forgings, Solid State Phen. 177, 76-83 (2011).
• [16] P. Skubisz, J. Sińczak, T. Skowronek, M. Ruminski, Selection of Direct Cooling Conditions for Automotive Lever Made of Microalloy Steel, Arch. Civ. Mech. Eng 12, 418-426 (2012).
• [17] J. Sińczak, Advanced forging technologies of high-melting materials, monograph in Polish, Kraków, ARBOR FP, 169 (2013).
• [18] S. Denis, D. Farias, A. Simon, Mathematical Model Coupling Phase Transformations and Temperature Evolutions in Steels. ISIJ Intern. 32, 316-325 (1992).
• [19] N. Biba, S. Stebounov, A. Lishiny, Cost-effective implemen-tation of forging simulation, J. Mat. Proc. Techn. 113, 34-39 (2001).
• [20] P. Skubisz, J. Krawczyk, J. Sińczak, Tool life enhancement in warm forging of CV joint with utilization of the divided flow method, Steel Res. Intern (spec. ed.), 235-238 (2012).
• [21] D. Szeliga, M. Pietrzyk, Identification of Rheological and Tri-bological Parameters, chapter in the book Metal Forming Science and Practice, Elsevier Science Ltd., Amsterdam, 227-258 (2002).
• [22] A. Gavrus, E. Massoni, J. L. Chenot, An Inverse Analisis Using a Finite Element Model for Identification of Rheological Parameters, J. Mat. Proc. Techn. 60, 447-454 (1996).
• [23] H. K. D. H. Bhadeshia, Driving force for martensitic transformation in steels, Met. Sci. 15, 175-177 (1981).
• [24] X. X. Xu, B. Z. Bai, D. Y. Liu, Y. Yuan, Effect of Thermome-chanical Treatment Temperature on Structure and Properties of CFB/M Ultra-High Strength Steel, J. Iron and Steel Res. Intern. 17, 66-72 (2010).
• [25] P. Skubisz, Ł. Lisiecki, Warm-forging characteristics and mi-crostructural response of medium carbon high-strength steels for high-duty components. Key Eng. Mat. 611-612, 167-172 (2014).
• [26] T. Gladman, Precipitation hardening in metals. Mat Sci Techn. 15, 30-36 (1999).
• [27] R. D. K. Misra, H. Nathani, J. E. Hartmann, F. Siciliano, Mi-crostructural evolution in a new 770MPa hot rolled Nb-Ti mi-croalloyed steel. Mat. Sci. Eng A 394, 339-352 (2005).
• [28] E. Głowacz, H. Adrian, W. Osuch, The nitrogen content effect on carbonitride coagulation in 40Cr8 steel with micro-additions V and V+Al. Arch Metall. Mat. 58, 2, 607-611 (2013).
• [29] H. Adrian, E. Głowacz, The effect of nitrogen and microalloying elements (V and V+Al) on austenite grain growth of 40Cr8 steel, Arch Metall. Mat. 55, 107-1116 (2010).
• [30] J. Adamczyk, E. Kalinowska-Ozgowicz, W. Ozgowicz, R. Wusatowski, Interaction of carbonitrides V(C,N) undissolved in austenite on the structure and mechanical properties of microal-loyed V-N steels, J. Mat. Proc. Techn. 53, 1-2, 23-32 (1995).
• [31] P. R. Spena, D. Firrao, Thermomechanical warm forging of Ti-V, Ti-Nb, and Ti-B microalloyed medium carbon steel. Mat. Sci. Eng A 560, 208-215 (2013).
• [32] G. Gao, Ch. Feng, B. Bai, Effects of Nb on the Microstructure and Mechanical Properties of Water-Quenched FGBA/BG Steels, J. Mat. Eng. Perf. 21, 345-352 (2012).
• [33] J. Kliber, R. Fabik, I. Vitez, K. Drozd, Hot forming recrystal-lization kinetics in steel. Metalurgija 49, 1, 67-71 (2010).
• [34] X. Kong, L. Lan, Optimization of mechanical properties of low carbon bainitic steel using TMCP and accelerated cooling. Proc. Eng. 81, 114-119 (2014).