Minitixoforming oceli

Ing. Filip VANČURA

Doctoral thesis

Abstract:

Pomocí inovativních technologických postupů lze získávat i u konvenčních a léta používaných materiálů atypické struktury se specifickými mechanickými a fyzikálními vlastnosti. Různé technologie tváření v semi-solid stavu představují právě takový dynamicky se rozvíjející obor. Přesto, kvůli technologické náročnosti celého procesu, zůstává zpracování ve fázi vývoje. Mezi jednu z inovativních metod v oblasti semi-solid zpracování patří technologie mini-thixoformingu. Protože je zaměřena na produkty velmi malých rozměrů, lze při ní, oproti klasickým postupům tixoformingu dosahovat vedle mimořádně strmých gradientů ohřevu i extrémně vysoké rychlosti solidifikace a chlazení. Tyto podmínky pak zásadně ovlivňují vývoj vznikajících struktur a materiálových vlastností. Navíc lze stejně jako u konvenčního tixoformingu dosáhnout tvarově komplikovaných součástí s vysokou přesností, a to pouze v jediném tvářecím kroku. Spolu s vyjmenovanými přednostmi je mini-thixoforming oproti klasickým metodám tváření v semi-solid stavu spojen s vyšší technologickou náročností. Kvůli velmi malým objemům materiálů je zde nutno velmi přesně řídit teplotní i deformační průběhy procesu. Při ochlazování jsou dosahovány extrémní rychlosti ochlazování, mimo jiné především díky velmi malé tloušťce stěny produktu. Nicméně právě díky dosažení schopnosti tyto procesní atributy uřídit, se nabízí i konkurenční výhoda díky schopnosti s nimi také pracovat. Hlavním cílem této práce ve zmíněné oblasti bylo nalezení souvislosti mezi mikrostrukturou výchozího polotovaru a mikrostrukturou po zpracování vzorku nad křivkou solidu zvolené oceli. Vzhledem k vysoké rychlosti procesu mini-thixoformingu byla v průběhu zpracování zachována historie vstupní struktury, která se dále promítla do výsledné struktury materiálu a byl pozorován a zdokumentován její vliv na vlastní proces tváření. Aby bylo možné zjistit vliv vstupní struktury na výsledný stav po semi-solid zpracování, byla provedena příprava různých vstupních mikrostruktur z oceli X210Cr12. Jednalo se o vysokoteplotní žíhání na zhrubnutí zrna, vysokoteplotní cyklování a také procesy s intenzivní plastickou deformací (SPD) a to ECAP (equal channel angular pressing) a HPT (high pressure torsion). Vysokoteplotní žíhání pro zhrubnutí zrna bylo provedeno při teplotě 1150°C po dobu 24 a 48 hodin s volným chlazením v peci. Pro rozpuštění primárních karbidů chromu M23C7 byla teplota ohřevu ještě zvýšena na 1200°C s výdrží 1 hodinu a následným volným chlazením v peci, nebo do oleje. Naopak ke zjemnění zrna bylo využito metody cyclic heating treatment (CHT), kdy rychlými přechody mezi křivkami AC3 a Ms bylo docíleno vyššího počtu krystalizačních zárodků, a tím i většího počtu zrn ve stejném objemu materiálu. Další modifikace struktury byla provedena tvářením za tepla při teplotě 900°C. Zjemnění zrna pomocí intenzivní deformace metodou ECAP bylo provedeno na speciálním lisu. Válcová ocelová tyč byla vložena s minimální vůlí a zapouzdřena do pouzdra o rozměrech průřezu kanálu pro ECAP. Pouzdro bylo vyrobeno z technicky čistého hliníku o 99,5 hm% a variantně z austenitické oceli 1.431. Bylo využito dvou nástrojů pro ECAP. ECAP s rozměry kanálu 50x50 mm s úhlem kanálu 90°. V tomto případě mělo hliníkové pouzdro rozměry 50x50x210 mm. V něm byla uložena tyč z oceli X210Cr12 o průměru 15 mm a délce 90 mm. Průchod kanálem byl proveden jak za pokojové teploty, tak po ohřevu vzorku na 550°C. Druhý nástroj pro ECAP měl rozměry kanálu 10x10 mm s úhlem vnitřního kanálu 120°C. Pro tuto variantu bylo vyrobeno pouzdro z austenitické oceli o rozměru 10x10x60 mm, ve kterém byla uložena tyč z oceli X210Cr12 o průmě

Abstract:

ru 7 mm a délce 50 mm. Jako další tvářecí metoda pro zjemnění zrna byla použita metoda high pressure torsion. U metody HPT je zjemnění zrna dosaženo kombinací tlaku a současného intenzivního torzního přetvoření. HPT probíhalo na vzorku o průměru 35 mm při teplotě 650°C. Vstupní polotovar byl kotouč o výšce 9 mm a průměru 35 mm. Torzn

Abstract:

With the help of innovative technological procedures, even conventional and well-tried materials can acquire atypical structures with specific mechanical and physical properties. One such dynamically developing area is the field of various semi-solid forming technologies. However, due to its technological demands, it is still in its developing phase. One of the innovative methods of semi-solid processing is mini-thixoforming. As it deals with products of minute dimensions, it (unlike conventional thixoforming methods) enables both exceptionally steep thermal gradients and extremely fast solidification and cooling. These conditions then dramatically influence the development of emerging structures and material properties. Furthermore, just as with conventional thixoforming, high-precision complicated shapes of pieces can be achieved within a single forming step. Apart from the listed advantages, mini-thixoforming (as opposed to traditional methods of forming in semi-solid state) is more technology-demanding. Due to the extremely small volumes of materials it is necessary to very accurately control both thermal and deformational progress of the process. During cooling, extremely fast cooling occurs - this is (among other factors) due to the very small thickness of the wall of the product. However, the ability to control and manage these process attributes provides an important competitive advantage. The main aim of this work in its interest area was to find a correlation between the microstructure of the initial semi-finished piece and the microstructure after working the sample above the solid line of the selected steel. Due to the high speed of the process of mini-thixoforming, the history of the initial structure was kept during the forming, which further imprinted itself into the resulting structure of the material. Its influence on the forming process as such was observed and recorded. In order to determine the influence of the initial structure on the resulting state after semi-solid processing, different initial microstructures of X210Cr12 steel were prepared. The methods employed were: high temperature annealing for grain growth, high temperature cycling as well as processes with severe plastic deformation (SPD), namely ECAP (equal channel angular pressing) and HPT (high pressure torsion). High temperature annealing to facilitate grain growth was carried out at a temperature of 1150°C for the duration of 24 and 48 hours with free cooling in the furnace. In order to dissolve primary M23C7 chromium carbides the heating temperature was further increased to 1200°C for the duration of 1 hour followed by free cooling in the furnace or submerged in oil bath. Grain refinement, by contrast, was achieved through the method of cyclic heating treatment (CHT), where quick transitions between lines AC3 and Ms result in a higher number of crystallizing nuclei as well as a higher number of grains in the same volume of material. Another modification of structure was achieved by heat forming at 900°C. A special press was used for grain refinement by way of ECAP intensive deformation. A cylindrical steel bar was inserted with minimum clearance and enclosed in a case with dimensions corresponding to the cross-section of the channel for ECAP. The case was made of technologically clean aluminium of 99.5wt%, or alternatively of 1.431 austenitic stainless steel. Two ECAP tools were used: One with channel dimensions of 50x50mm and a channel angle of 90°. In this instance, the aluminium case had dimensions of 50x50x210mm. Inside it was a X210Cr12 steel bar with a diameter of 15mm and a length of 90mm. The passage through the channel was carried out both at room temperature and after heating the sample to 550°C. The second ECAP tool had channel dimensions of 10x10mm and an inner channel angle of 120°. For this option, the case was of austenitic stainless steel with dimensions of 10x10x60mm, with an encased bar of X210Cr12 steel with a diamet

Keywords

minini-thixoforming, semi-solid zpracování, X210Cr12, SPD metody

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 3. 2017

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Materials Engineering and Engineering Metallurgy