Ojnice s perlitno mikrostrukturo za avtomobilski motor UDK: 621.73.043:620.17 ASM/SLA: F22M, 2-61, Y26r, T21b F. Vodopivec, S. Jurca, J. Žvokelj, F. Filipov in K. Kuzman Vpliv temperature kovanja na velikost auste-nitnih zrn na različnih presekih utopno kovanih ojnic. Vpliv velikosti austenitnih zrn na mehanske lastnosti in prelom jekla z mikrostrukturo iz per-lita in ferita, ki je bilo kontrolirano ohlajeno s temperature deformacije. Primerjava lastnosti, mikrostrukture in preloma ojnic s poboljšano mikrostrukturo in ojnic s perlitno mikrostrukturo. 1. UVOD Ojnice se izdelujejo s kovanjem v utopih. Postopek obsega odrez paličastega jekla, ogrevanje sekancev, kovanje v utopih, ohladitev in tqplotno obdelavo s kaljenjem in popuščanjem. Shematično je proces prikazan na sliki 1. Možnost večje racionalizacije postopka je odprava toplotne obdelave z uporabo takih pogojev za kovanje in ohlajanje izkovkov, da se doseže mikrostruktura, ki izkov-kom zagotavlja potrebne uporabne lastnosti. Proces se torej spremeni v neke vrste termomehanič-no kovanje in nudi v fazi ohlajanja izkovkov dve možnosti: ena je kaljenje izkovkov neposredno s temperature kovanja z naknadnim popuščanjem, druga možnost pa je kontrolirano ohlajanje izkovkov, da bi dosegli mikrostrukturo, ki ne potrebuje nobenega popuščanja. Ta pot je najbolj zanimiva s stališča poenostavitve procesa in prihranka ener- I- Kovanje-1-Poboljšanje Slika 1 Shematičen prikaz izdelave lahkih izkovkov z utopnim kovanjem in toplotno obdelavo u Fig. 1 Schematic presentation of manufacturing Ught forgings wlth die casting, and their heat treatment gije, zato smo se na pobudo vodstva kovaške industrije »Unior« Zreče lotili raziskav, kako bi bilo možno uresničiti. Pri delu smo dosegli obetajoče uspehe, ki so vzpodbuda za nadaljevanje dela. Postopek je namreč tak, da ga je potrebno v vseh fazah temeljito preveriti zaradi pomembnosti ojnice v sklopu avtomobilskega motorja, potrebno pa ga je preveriti tudi s stališča primernosti jekla. Rezultati do sedaj izvršenega dela so zbrani v dveh poročilih Metalurškega inštituta v Ljubljani.1' 2 O nekaterih rezultatih pa smo že poročali.3 V tem delu bomo povzeli najvažnejše ugotovitve, da bi predstavili v skrajšani obliki izvršeno delo in nakazali odprta vprašanja. 2. ZNAČILNOSTI KOVANJA JEKLA V UTOPIH Pri utopnem kovanju se v .nekaj udarcih izoblikuje končni izdelek iz surovca, ki ima najpogosteje valjasto obliko. Število udarcev je odvisno od oblike izkovka in deformacije, ki je potrebna, da bi se utop popolnoma napolnil in da bi dosegli polno obliko izkovka. Na preseku ojnice, ki je bila ohlajena s temperature kovanja s tako hitrostjo, da se dobro razločijo austenitna zrna (v nadaljevanju AZ), se vidi, da so ta zrna neenakomerna (si. 2) in da so hitri prehodi med področji velikih in majhnih AZ (si. 3). Kovanje v utopih poteka pri temperaturi, pri kateri standardna jekla rekrista-lizirajo med zaporednimi udarci kladiva ali stiskalnice. Stopnja deformacije ne vpliva pomembno na velikost rekristaliziranih zrn austenita (si. 4). Zato lahko sklepamo, da je različnost AZ v izkovku posledica različnosti v načinu odprave deforma-cijske energije iz vroče preoblikovanega jekla. Kjer so v izkovku AZ majhna, se je izvršila statična rekristalizacija avstenita tudi po zadnjem udarcu; kjer pa so zrna velika, je deformacija povzročila le rast AZ, ne pa rekristalizacije. Različnost v velikosti AZ je tem večja, čim večji je presek izkovka. Preizkusi kažejo, da so AZ v povprečju manjša na manjših presekih ojnice (si. 5), da razlika med njimi raste s temperaturo kovanja, in sicer hitreje nad ca 1200 °C kot pod to temperaturo kovanja in da s temperaturo raste tudi povprečna velikost AZ. če upoštevamo 0,10 S 0.05 D--- 0,38 % C o 0,48% C S ui "o 7 Š 8 5 15 45 55 % 25 35 Deformacija Slika 4 Vpliv stopnje deformacije pri 1150 °C na velikost zrn auste- nita, ki so nastala pri statični rekristalizaciji. Jekli A in B Fig. 4 Influence of the degree of deformation at 1150 °C on the size of austenite grains formed during static recrystalli-zation. Steels A and B 0,20 0.15 c 0.10 I 0.05 n° * "Cj^'____ • 111 o .Man _ 1 ° Q- -t* """T A A ^ | A A A r . T .Min - • £ o tj 4 N 5 g 6 Ž 7 S 8 1100 1200 1300 Temperatura kovanja v °C Slika 5 Vpliv temperature kovanja ojnic na velikost najmanjših (Ali) in največjih (Ma) austenitnih zrn na dveh presekih ojnic iz jekla B Fig. 5 Influence of the forging temperature of shafts on the size of the smallest (Mi) and the biggest (Ma) austenite grains on two cross section of shafts made of steel B uporabne temperature kovanja, lahko na osnovi slike 5 sklepamo, da je v kovanih ojnicah pričakovati AZ, ki se razlikuje za ca 5 razredov po ASTM. To razliko bi se dalo zmanjšati s tako rekonstrukcijo utopov, ki bi v vsaki fazi kovanja zagotovila na vseh delih izkovka lokalno deformacijo najmanj 15 %, kar zagotavlja rekristalizacijo avstenita v drobna zrna, ali pa uporabiti jeklo, ki je manj nagnjeno k rasti avstenitnih zrn. Ta možnost se nam zdi tehnološko bolj obetajoča in lažje izvedljiva. Domnevali smo, da je pred posegi v sam proces kovanja in pred razvijanjem novega jekla potrebno preveriti, ali se da s tako neenakomernimi AZ v izkovkih in s kontroliranim ohlajanjem doseči mikrostrukturo, ki da jeklu uporabne lastnosti, ki ne zaostajajo za lastnostmi poboljšanih izkovkov. Tako imamo več možnosti za uspeh kot z ukrepi, s katerimi bi na račun hitrejše rasti manjših zrn avstenita dosegli bolj enakomerno mikrostrukturo jekla v izkovku. Ne da bi imeli za to mnenje empirične dokaze, menimo, da je bolj logično pričakovati boljše lastnosti od jekla, ki je konglomerat drobnih in velikih AZ, kot od jekla, ki bi bilo konglomerat enakomernejših, vendar v povprečju večjih AZ. Kot primerna stabilna mikrostruktura, ustvarjena s termomehaničnim kovanjem, prihaja v po-štev samo mikrostruktura iz lamelarnega perlita z določeno količina ferita. V nadaljevanju te razprave bomo to mikrostrukturo označili kot perlitno. Tako mikrostrukturo predvidevajo tudi norme nekaterih proizvajalcev avtomobilov, vendar v teh normah ni navedeno, da je to mikrostruktura, ki jo imajo lahko utopno kovani deli motorja. Ferit naj bo v perlit-ni mikrostrukturi tako izoblikovan, da bo ugodno vplival na lastnosti. V nobenem primeru nista zaželena igličasti predbajnitni ferit in bajnit. Na osnovi te analze smo si v delu zastavili dva cilja: a) dognati, kako vpliva velikost AZ na lastnosti jekla, ki je primerno za perlitne izkovke — ima torej po termomehaničnem kovanju trdoto podobno trdoti poboljšanega jekla, b) skovati v primernih pogojih nekaj ojnic in na njih izvršiti preizkuse in preiskave, da bi ugotovili ali ima izkovek, v katerem ima jeklo različna AZ, lastnosti, ki se lahko ekstrapolirajo iz preizkusov pod a), in ali so lastnosti takih ojnic primerljive z lastnostmi poboljšanih ojnic. Tabela 1 VELIKOST AVSTENITNIH ZRN V EKSPERIMENTALNIH OJNICAH. Razred ASTM I Prerez ojnice II III Mi Ma Mi Ma Mi Ma A 1 3 6 3 7 2 5 A2 3 7 2 6 2 6 A 3 3 7 2 6 2 6 Mi — največja zrna Ma — najmanjša zrna Pomen drugih oznak je enak kot v tabeli 2. Tabela 2 LASTNOSTI EKSPERIMENTALNIH IN PRIMERJALNIH OJNIC O j niča A1 254 A 2 259 A 3 232 B 1 219 Trdota II 249 240 226 220 III 238 240 238 223 Sila pri meji plast. (kN) 51,0 81,5 Raz- Raztezek tržna stebla sila ojnice (kN) % 83 7,4 91,7 6,5 Opomba: I, II in III — površinska trdota blizu prerezov, označenih na sliki 5. Povprečna vrednost 5 meritev. Ojnice Al, A2 in A3 so bile vzete ob začetku, v sredini in ob koncu eksperimentalnega kovanja. BI — primerjalna ojnica. 20mm 5 mm 8 ,200jjm 3, 200jj m 7, , 200,um iot2ggjjm Slika 2 Presek stebla ojnice iz jekla A Slika 3 Detajl mikrostrukture preseka na sliki 2 Slika 7 Mikrostruktura po deformaciji pri 1050 "C in kontrolirani ohladitvi. Jeklo A Slika 8 Mikrostruktura po deformaciji pri 1150 °C in kontrolirani ohladitvi. Jeklo A Slika 9 Mikrostruktura po deformaciji pri 1250 "C in kontrolirani ohladitvi. Jeklo A Slika 10 Mikrostruktura po normalizaciji. Jeklo A Slika 11 Mikrostruktura po poboljšanju. Jeklo A Slika 16 Prelomi žilavostnih preizkušancev iz jekla A. Od desne: poboljšano stanje, normalizirano stanje, jeklo deformirano pri rastočih temperaturah 1050, 1150, 1250 in 1300 »C ter jeklo, ki Je bilo ogrevano pri 1300 »C Fig. 2 Cross section of the shaft body. Steel A Fig. 3 Detail of the microstructure of the cross section in Fig. 2 Fig. 7 Microstructure after deformation at 1050 °C and controlled cooling. Steel A Fig. 8 Microstructure after deformation at 1150 "C and controlled cooling. Steel A Fig. 9 Microstructure after deformation at 1250 °C and controlled cooling. Steel A Fig. 10 Microstructure after normalisation. Steel A Fig. 11 Microstructure after quenching and tempering. Steel A Fig. 16 Fractures of impact- test samples of steel A. From the right: quenched and tempered, normalized, deformed at increasing temperatures 1050, 1150, 1250, and 1300 "C, heated at 1300"C Odgovor na ti dve vprašanji je istočasno odgovor na vprašanje, s kakšnimi posegi v proces je mogoče izpeljati kontrolirano kovanje in ali ima termomehanično kovanje perspektivo. 3. EKSPERIMENTALNO DELO IN MATERIAL Z laboratorijskimi preizkusi smo najprej ugotovili vpliv temperature deformacije na velikost AZ, ki nastanejo pri statični rekristalizaciji avstenita. Deformacijo približno 20 % smo izvršili s pomočjo padalnega kladiva. Po deformaciji smo vzorce ohladili tako, da se je izoblikovala mikro-struktura iz zrn lamelarnega perlita, obdanih s feritno opno, ki je nastala po mejah AZ. Na sliki 6 je prikazan vpliv temperature deformacije na velikost AZ, na slikah 7, 8 in 9 pa mikrostruktura jekla, ki je bilo deformirano pri različnih temperaturah. Za primerjavo smo uporabili normalizirano jeklo (si. 10), poboljšano jeklo (si. 11) in jeklo, ki je bilo ogrevano pri 1300 °C. Izbrani interval temperature deformacije in ogrevanja prekriva razpon temperature utopnega kovanja in je zagotovil jeklo z enako osnovno mikrostrukturo, vendar z velikostjo AZ v razponu ca 6 razredov po ASTM. Iz naraščanja velikosti AZ v odvisnosti od temperature na sliki 6 smo izračunali navidezno akti-vacijsko energijo za statično rekristalizacijo avstenita. Ta znaša 150 kJ/mol, kar je nekoliko nad vrednostjo, ki smo jo poznali za rekristalizacijo jekla z 0,42 % C4 pri vročem valjanju. Razliko je treba verjetno pripisati razliki v sestavi jekla in v načinu deformacije. Laboratorijski preizkusi in preiskave ohlajanja in mikrostrukture izkovkov v kovačnici so bili osnova za izbiro pogojev za preizkus termomeha-ničnega kovanja ojnic, pri katerem smo kontrolirali temperaturo kovanja in hitrost ohlajanja izkovkov. Vse preizkuse in preiskave smo izvršili na jeklu z 0,48 °/o C, 1,2 °/o Mn in 0,30 % Cr (Jeklo A). Iz E E >■-0.1 -0.01 * : o ---- Te 1050 1100 nperatura dete 11S0 irmacije v °C 200 1250 1300 1 ot M i e s * C 6 5 p 72 6,4 (i* n') ■ Slika 6 Odvisnost med temperaturo deformacije in velikostjo zrn, ki so nastala s statično rekristalizacijo austenita Fig. 6 Relationship betvveen the temperature of deformation and the size of grains formed by static recrystalIization of austenite tega jekla smo izkovali tudi preizkusne ojnice. Primerjalne poboljšane ojnice iz tekoče proizvodnje so bile iz jekla z 0,38 % C, 0,78 % Mn in 0,58 % Cr (Jeklo B). Preizkusne ojnice (termomehanično skovane ojnice) so imele mikrostrukturo, ki jo kaže slika 2, primerjalne ojnice pa mikrostrukturo, ki je zelo podobna tisti, ki jo prikazuje slika 11. Na preizkušancih, ki so bili deformirani v laboratoriju in so imeli po preseku enakomerna AZ, smo izvršili mehanske preiskave (meja plastičnosti, trdnost, duktilnost, žilavost, trajna trdnost pri rotacijskem upogibu), na ojnicah pa raztržne preizkuse in preizkuse trajne trdnosti pri izmenični natezno tlačni obremenitvi do 2 .106 nihajev. Prelome žilavostnih preizkušancev in prelome utrujenostnih preizkušancev smo pregledali v raster elektronskem mikroskopu, da bi dognali, kako se mikrostruktura in velikost AZ odražata na mehanizmu preloma. 4. REZULTATI 4.1 Mehanski preizkusi a) Kovani preizkušanci Na slikah 12, 13 in 14 je prikazano, kako velikost AZ vpliva na različne lastnosti jekla. Na abscisi so navedene tudi temperature deformacije in prikazane lastnosti normaliziranega in poboljšanega jekla. 1000 I 800 600 400 £ -S gS o K J; s N 200 -N rHT O --- RT ■a • ■o O - MP s -9 P- HB Temperati 1050 1150 ra deformacije 1250 1300 °C 400 200 0 0.1 0.2 Velikost zrn v mm Slika 12 Vpliv velikosti austenitnih zrn na trdoto (HB), na mejo plastičnosti (MP) in na trdnost (RT). Jeklo A: N — normalizirano, HT — poboljšano stanje, nd — nedeformirano jeklo Fig. 12 Influence of the size of austenite grains on the hardness (HB), yield point (MP), and strength (RT). Steel A: N — normalized, HT — quenched and tempered, nd — not deformed Lastnosti normaliziranega jekla je mogoče ekstrapolirati iz lastnosti deformiranega jekla, tako da upoštevamo razlike v velikosti AZ, poboljšano jeklo pa ima znatno večjo žilavost in mejo plastičnosti kot jeklo s perlitno mikrostrukturo s podobno trdoto. Pri povečanju AZ počasi rastejo trdnost, meja plastičnosti in trdota jekla s perlit- 80 i? S? 6O a. a. » S- JC .O o, .rr. n y 0J -ic 40 : 20 t ■ — N r-HT t M» -A— —- 6 1050 1150 t=S==8-- 1250 1300 i i --« 60 ± 40 S 200 0,' 0,2 Velikost zrn v mm Slika 14 Vpliv velikosti austenitnih zrn na trajno trdnost pri vrtalnem upogibu (TT) in na razmerje med to trdnostjo in natezno trdnostjo (a). Jeklo A. Označbe so enake kot na sliki 12 Fig. 14 Influence of the size of austenite grains on the fatigue in rotation-bending test (TT), and on the fatigue/tenstte strength ratio (a). Steel A. Symbols the same as in Fig. 12 no mikrostruktura. Prav tako povečanje velikosti AZ zmanjšuje duktilnost (kontrakcijo in raztez-nosti) in žilavost jekla. Te lastnosti se hitreje zmanjšujejo, ko temperatura deformacije zraste preko ca 1170 do 1200 °C. Trajna trdnost pri rotacijskem upogibu (Wohlerjeva trdnost) se nekoliko zmanjšuje, ko raste velikost AZ. Pomembno je, da je razlika med trajno trdnostjo poboljšanega jekla in jekla s perlitno mikrostruktura okoli 11 %, kar je mnogo manj od razlike v meji plastičnosti, ki dosega 57 % in je bližje razliki v trdnosti, ki dosega okoli 5 %. Dejstvo, da se trajna trdnost zmanjšuje, ko raste velikost AZ, kaže, da je v procesu nastajanja utrujenostne razpoke in njenega širjenja bolj udeležena duktilnost jekla, kot njegova trdnost. O tem bomo razpravljali kasneje. b) Mehanski preizkusi ojnic V tabeli 1 so prikazane največje in najmanjše velikosti AZ na treh presekih preizkusnih ojnic, ki so označeni na sliki 3. V tabeli 2 pa so prikazane mehanske lastnosti preizkusnih in primerjalnih ojnic. Na sliki 15 je končno prikazano, kako se spreminja število nihajev do loma obeh vrst ojnic, odvisno od amplitude izmenične obremenitve do 2. 106 nihajev. Pri amplitudi obremenitve, ki povzroči prelom pri tem številu nihajev, odstopa časovna trdnost preizkusnih ojnic za manj od 10 % 0 0.7 0.2 Temperatura deformacije v °C Velikost zrn v mm Slika 13 Vpliv velikosti austenitnih zrn na žilavost (p), raztezek (5) in kontrakcijo (40- Jeklo A. Označbe so enake kot na si. 12 Fig. 13 Influence of the size of austenite grains on the toughness (p), elongation (6), and contraction (eppHTa. [IpiiBCACHO cpaBHeHiie c CTaAtio h inaryHaMH c yAymueHHOH MHKpo-cTpyKTypoft. IIIaTYHH H3roroBAeHHLie kobkoii b nrraMnax HMeeT no ceqeHHH pa3AHtiHyio BeAHMHHy aycTeHHTHbix aepeHb. c noBHineraieH TeMnepaTypbi kobkh hx BeAHHHHa VBeAimHBaeTCa. Ilpn kobkh CTaAH iae>KAy 1050 h 1300 "c 6mah npuroTOBAeHbi o6pa3Ubi CTaAH c 0,48 % C ii 1,2% MapraHua, o MHKpocTpyKTypoH H3 caohctoto nepAHTa h (JjeppiiTa K0Hxp0AHpya oxAa>KAeHHe h c BeAiraHHoft aycieHHTHbix 3epeHb npuSA. b 6-th KAaccax no actm. c yBeAimeHHeM BeAHiHHM aycreiiHTH[,ix aepeiif, b CTaAH c mm-KpOCTpyKTVpOH yMeHbmaeTbCH BHCKOCTB, IIAaCTHHHOCTb H yCTaAOCTHa« npo Ha npH6A. 6 KAaccoB no ACTM. B oraomemm Ha npOHHOCTb 3TO 6ah>kg pa3HHUbI, :HO TOpa3AO MeHbUie pa3HUbI npe-Ae.\a nAaeTHMHoeTH. C yBeAHHeHHeM BCAinniHbi aycxeHHTHbix 3epeHb n3MeHaeTbca bha H3Aowa CTaAH KaK nocAeACTBHe TpaHCKpncraAAH-3auHH ba3koii nOBepxHOCTH — noAyiaeTca me>KKpHCTaAAimecKaa B33Kaa n0BepxH0CTb. B ycAOBHax, KOTopbie o6e3neHHAH orpatnme-HyK) MaivCHMaAbHyK> BeAHHHHV ayCTeHHTHbIX 3epeHb npHrOTOBAeHbl onbiTHbie ma-ryHbi c MincpocTpyKTypott H3 nepAHTa h 4>®PPirra, h hx CBOliCTBa CpaBHeilbl C CBOHCTBaMH UIaTyHOB H3 CepHHHOrO npOH3-BOACTBa. OKa3aAOCb, M TO npeAeA ITAaCTHMHOCTH 3THX OnbITHbIX ina-TyHOB ropa3AO HH>Ke, TaiOKe neMHoro MeHLiue npoMHoeTb H yCTaAO-CTHaa npoMHoeTb npn cpaBHeHHii c inaTyHaMH ceprohioro npoH3-BOACTBa. Ha H3AOMy, noAy^eHOM npH nepeMeHHoft Harpy3Ke o6ohx bhaob maTyHOB pa3HHua ne OTMC^eHa. Pe3yAi>TaTbi HCCAeAOBaHHa nOKa3aAH, HTO C TepMOMexaHHMCCKOH KOBKOH MOJKHO H3rOTOBHTb iuaTyHbi, KOTOpbie no CTaTinreCKOH h AAHTeAbHOH ycTaAocTHOH npoi-hocth He QTCTynaiOT ot uiaTyHOB TpaAHmioHHoro np0H3B0ACTBa.