Zrychlené mikrostrukturní děje při nových procesech tepelného a termomechanického zpracování

Ing. Daniela HAUSEROVÁ

Doctoral thesis

Accelerated Microstructural Phenomena in Novel Processes of Heat and Thermomechanical Treatment

Abstract:

Current efforts to boost competitiveness and reduce time and energy demands in production lead to improved efficiency of existing processes and technologies. Carbide spheroidisation is a very time-consuming and energy-intensive process due to its underlying diffusion mechanism. The present dissertation explores accelerated microstructural phenomena during heat treatment and thermomechanical processing for the purpose of carbide spheroidisation. The literature search aimed predominantly at mechanisms and theories related to spheroidisation of carbides in steels. A major part of the literature search is devoted to the factors which govern carbide spheroidisation during thermomechanical processing and heat treatment. The experimental programme focused on accelerated microstructural phenomena during thermomechanical processing and heat treatment of the C45 medium-carbon structural steel and the 100CrMnSi6-4 bearing steel. The process developed as part of this dissertation was patented by the research organisation COMTES FHT a.s. and named the ASR process (Accelerated Spheroidisation and Refinement). An important aspect of this effort involved the time savings resulting from the replacement of conventional long-time heat treatment processes with shorter processing schedules. The main goals of the experimental programme were optimization of processing parameters and mapping of the effect of these parameters on the microstructure and mechanical properties of steels. The experimental thermomechanical processing was carried out using a hydraulic forging press and a laboratory rolling mill. The parameters optimized were the temperature profile and the applied deformation. Heat treatment was carried out in a thermomechanical simulator, in a quenching dilatometer equipped with induction heating or in a medium-frequency converter. The main processing parameters optimized were the heating temperature, the soaking time, the number of thermal cycles and the heating and cooling rates. In the experimental heat treatment process, attention was paid to the resulting microstructure and to the properties of the part of bearing steel after quenching and tempering. The effect of carbide size and prior austenite grain size after the ASR processing on the final properties of steel was monitored and compared with the conditions after the conventional process. Once the suitable processing parameters were found, the process only took several minutes and led to a uniform final microstructure with fine globular carbides in the ferritic matrix. Whencompared to the conventional process, finer carbides and smaller prior austenite grain provided fine martensite after quenching and tempering. As a result, the final bearing component showed notably low wear and long life.

Abstract:

V současné době je snaha zefektivňovat stávající procesy a technologie z důvodu zvýšení konkurenceschopnosti na trhu, časové a energetické náročnosti. Sferoidizace karbidů je z důvodu difúze velice časově a energeticky náročný proces, proto se tato disertační práce zabývala zrychlenými mikrostrukturními ději při nových procesech tepelného a termomechanického zpracování za účelem sferoidizace karbidů. Literární rešerše byla věnována především mechanismům a teoriím spojených se sferoidizací karbidů v ocelích. Velká část rešerše se zabývala činiteli, které ovlivňují sferoidizaci karbidů v průběhu termomechanického a tepelného zpracování. Experimentální program této práce byl zaměřen na zrychlené mikrostrukturní jevy při termomechanickém a tepelném zpracování středně uhlíkové konstrukční oceli C45 a ložiskové oceli 100CrMnSi6-4. Proces, který byl v této práci vyvíjen, byl ve výzkumné organizaci COMTES FHT a.s. patentován a byl nazván ASR procesem (Accelerated Spheroidisation and Refinement). Důležitým faktorem byla časová úspora, tedy snaha o nahrazení konvenčních dlouhodobých procesů tepelného zpracování významně kratšími režimy zpracování. Hlavním cílem experimentálního programu byla optimalizace parametrů zpracování a sledování vlivu těchto parametrů na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti oceli. Pro provedení experimentů termomechanického zpracování byly použity hydraulický kovací lis a laboratorní válcovací stolice. Optimalizovanými parametry byly průběh teploty a intenzita vložené deformace. Tepelné zpracování bylo provedeno v termomechanickém simulátoru, indukčním ohřevem v kalicím dilatometru nebo ve středofrekvenčním měniči kmitočtu. Optimalizovanými parametry zpracování byla především teplota ohřevu, délka teplotní prodlevy, počet teplotních cyklů, rychlost ohřevu a rychlost ochlazování. V experimentálním tepelném zpracování byla také pozornost věnována mikrostrukturám a vlastnostem finální součásti ložiskové oceli po kalení a popouštění. Sledován byl vliv velikosti karbidů a původního austenitického zrna po ASR procesu na finální vlastnosti oceli v porovnání s konvenčním zpracováním. V případě vhodně zvolených parametrů zpracování, bylo dosaženo homogenní struktury s jemnými globulárními karbidy ve feritické matrici během několika jednotek minut. Jemné karbidy a menší velikost původního austenitického zrna, v porovnání s konvenčním zpracováním, zajistily vznik jemnějšího martenzitu po kalení a popouštění. To se projevilo v menším opotřebení a výrazně vyšší životnosti finální ložiskové součásti.

Keywords

Termomechanické zpracování, tepelné zpracování, zrychlená sferoidizace karbidů, zjemnění zrna, ocel C45, ocel 100CrMnSi6-4

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 8. 2014

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 21. 11. 2014

University of West Bohemia

Faculty of Mechanical Engineering

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