High Performance Wear Resistant Bainite Steel for Agricultural Application
Abstract
Dette arbeidet er en del av forskningsprosjektet TailorPro, som har som formål å utvide forståelsen av varmebehandlingsprosesser av nye og eksisterende stållegeringer, i den hensikt å maksimere produkters levetid. I henhold til TailorPro sin målsetting, har dette arbeidet utforsket påvirkningen austemperings-tid og -temperatur har på egenskapene til et prototype-stål med høyt silisiuminnhold. Slike bainittiske stål er ofte kalt karbidfrie bainittstål. Det høye silisiuminnholdet hindrer presipitering av karbider mellom bainittnålene og bainittnålene blir istedenfor skilt av en karbonberiket restaustenitt. Rest-austenitten kan også danne en uønsket blokkstruktur. Denne typen bainittstål har vist høyere grad av bruddseighet, tøying ved brudd og forbedret slitemotstand, sammenlignet med martensittiske stål med tilsvarende hardhet. Stålet er tiltenkt en del som er utsatt for høy grad av slitasje. En bainittisk mikrostruktur vil være en billig og effektiv måte å forbedre delens slitasjemotstand.
Det første steget av forsøket var å gjennomføre et forsøk med intensjonen om å få innsikt i hvordan austemperings -tid og -temperatur påvirker bainittens egenskaper. Prøver ble austemperert ved temperaturer mellom 260 og 400C, med 20C mellom hver prøve. For hver austempering ble fire ulike holdetider brukt: 0.5, 2, 10 og 24 timer. Bainittens utvikling ble undersøkt ved bruk av lysmikroskop og Vickers hardhetsmålinger. Resultatene viser to trender, avhengig av den anvendte temperaturen. For prøver som ble austemperert ved en temperatur mellom 260 og 380C, kan man se en reduksjon i hardhet ved økt temperatur og ved å øke holdetiden fra 0.5 til 2 timer. En holdetid utover 2 timer har neglisjerbar effekt på hardhet. For prøvene som ble austemperert ved 380 og 400C, er disse trendene invertert. 400C var den høyeste temperaturen som ble testet og denne prøven hadde høyest grad av hardhet. En økning av holdetiden fra 0.5 til 2 timer, førte også til en betydelig økning i hardhet.
Et utvalg av de undersøkte austemperingsprosedyrene ved temperaturer mellom 260 og 300, samt 400C, ble undersøkt nærmere ved hjelp av strekktesting og Charpyprøving. Resultatene viser en sterkere korrelasjon for de mekaniske egenskapene mellom samme holdetid, enn for lik temperatur. Prøvene som ble holdt i 2 timer ved 260 til 300C hadde en flytespenning som var ca. 1100 MPa, en strekkfasthet som var 1650 – 1860 MPa og en 9 – 11% forlengelse ved brudd. Prøvene som ble austemperert ved 260C i 2 timer, hadde en absorbert energi på 25.4 J i Charpyprøving. Det var ca. 9 J lavere enn prøvene som ble holdt på 280 og 300C.
Austemperingstiden viste seg også å ha en innflytelse på formen til strekk-tøyningskurven. Prøvene som ble holdt i 2 timer hadde betydelig lavere flytespenning enn prøvene som ble holdt i 0.5 og 10 timer, men de hadde samme eller høyere grad av strekkfasthet. En hypotese var at dette skyldes transformasjons-indusert-plastisitet, en mekanisme der restaustenitt transformeres til martensitt under plastisk deformasjon, som medfører en drastisk økning i arbeidsherdingsrate. XRD viste at prøvene der denne effekten var tydeligst også hadde mest restaustenitt. Dette støtter hypotesen om TRIP-effekten. Ved å sammenfatte resultatene og vurdere de praktiske aspektene, ble det konkludert med at austempering ved 280C i 2 timer fører til den mest fordelaktige balansen av mekaniske egenskaper, prosesseringstid og robusthet, i forhold til avvik i tid og temperatur. This work is a part of the TailorPro research project, which aims to improve the understanding of heat treatment and coating technology on common and novel steel alloys. In relation to that objective, the influence of austempering time and temperature on a prototype high silicon steel, called 9022, was examined. Potential bainitic steels, such as 9022, with a large amount of silicon are often referred to as carbide-free bainitic (CFB) steel, as the silicon hinders the precipitation of carbides between the bainite laths which instead are separated by a carbon-rich retained austenite film. However, the retained austenite can also form an undesirable block structure. CFB steels have shown higher fracture toughness, strain at fracture, and improved resistance to wear, compared to martensite of similar hardness. The 9022 steel is intended for parts subjected to high abrasive wear conditions and achieving a bainitic microstructure could be an inexpensive and efficient way of improving wear resistance.
Initially, a broad experimental matrix was performed in order to get an indication of the influence of austempering time and temperature on the bainitic microstructure. Samples were austempered at temperatures between 260 and 400C, increasing in increments of 20C. For each austempering, four different holding times were used, 0.5, 2, 10, and 24 hours. Characterization of the development of bainite, using Vickers hardness and light optical microscopy (LOM), indicated that depending on temperature, the transformations can be separated into two categories. Samples austempered at 260 – 360C show a reduction in hardness with increasing austempering temperature and increasing holding time from 0.5 to 2 h. Further increases in holding time have a negligible impact. However, for samples held at 380 – 400C, these trends are inversed. 400C was the highest austempering temperature, and it also exhibited the highest hardness. An increase in holding time, from 0.5 to 2 h, caused a significant increase in hardness.
By considering the resulting microstructure and hardness from the different austempering procedures, a subsample was chosen for further tensile- and Charpy impact testing. The selected austempering temperatures were in the range 260 – 300 and 400C. The results indicate a stronger correlation between mechanical properties and holding time compared to holding temperature. The samples held at 260 – 300C for 2 h had a yield strength of approximately 1100 MPa, an ultimate tensile strength (UTS) of 1650 – 1860 MPa, and a strain at fracture of 9 – 11 %. The samples held at 260C for 2 h showed an absorbed energy of 25.4 J when Charpy impact tested, about 9 J lower than the samples held at 280 and 300C.
The austempering holding time impacted the shape of the stress-strain curve. The yield point for the samples austempered for 2 hours was significantly lower than the samples for 0.5 and 10 h, though the UTS was similar or higher. It was suggested that this was caused by transformation induced plasticity (TRIP), in which retained austenite transforms into martensite during plastic deformation, greatly enhancing strain hardening rates. X-ray diffraction (XRD) revealed that the samples held at 280C for 0.5, 2, and 10 h, had 14%, 18%, and 15% retained austenite, respectively. This supports the hypothesis that the TRIP-effect is occurring. By aggregating these results and considering the practical aspects, it was found that austempering at 280C for 2 hours would achieve the most favorable combination of mechanical properties, reasonable processing time, and robustness to deviations in temperature and time.