Quenching and Partitioning of Martensitic Stainless Steels : Heat Treatment, Microstructure, Mechanical Properties, and Cavitation Erosion Resistance

Abstract

Nykyajan terästeollisuus on erittäin kiinnostunut kehittämään vahvempia teräslajeja ajoneuvoissa käytettävien osien painon vähentämiseksi ja siten energiatehokkuuden parantamiseksi. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi kehitteillä on parhaillaan kolmannen sukupolven edistyneitä korkealujuusteräksiä, joissa lujuuden ja sitkeyden yhdistelmä saavutetaan muodostamalla teräkseen monifaasirakenne. Yksi lähestymistapa näiden teräslajien valmistamiseksi on uusien lämpökäsittelyjen käyttö. Karkaisu ja partitiointi (Q&P) on suhteellisen uusi lämpökäsittely, jossa jäljelle jäänyt austeniitti stabiloidaan ylikyllästetyn hiilen siirtyessä martensiitista austeniittiin. Muut kilpailevat mekanismit kuten bainiitin ja karbidien muodostuminen tukahdutetaan tyypillisesti piiseostuksella, mutta Q&P-lämpökäsittelyä voidaan soveltaa myös ruostumattomien teräksien ominaisuuksien muuttamiseen.

Tämä väitöskirja käsittelee martensiittisten ruostumattomien terästen Q&P-lämpökäsittelyn optimointia, käsittelyssä syntyvää mikrorakennetta ja ominaisuuksia, sekä uusia käyttökohteita Q&P-lämpökäsitellyille ruostumattomille teräksille. Erilaisten lämpökäsittelyparametrien vaikutuksia arvioitiin tietokonemallinnuksella ja empiirisellä karakterisoinnilla. Kahdelle martensiittiselle ruostumattomalle teräkselle tehtiin Q&P-lämpökäsittelyt, ja lämpökäsittelyssä muodostuvaa mikrorakennetta analysoitiin elektronimikroskopialla, röntgendiffraktiolla, sekä mekaanisella aineenkoetuksella. Lämpökäsitellyille teräsnäytteille tehtiin teollisen maalauksen vaikutusta simuloiva, niin sanottu bake hardening (BH)-käsittely. Lisäksi Q&P-lämpökäsiteltyjen teräksien suorituskykyä kavitaatioeroosion aikana testattiin värähtelevällä ultraäänilaitteella niiden suorituskyvyn arvioimiseksi.

Tulokset osoittavat, että lämpökäsittelyssä muodostuvat faasiosuudet riippuvat karkaisun prosessiparametreista, mutta terästen mekaaniset ominaisuudet riippuvat myös partitioinnin parametreista, ja tyypillistä alhaisempien lämpötilojen käyttö parantaa vetolujuutta heikentämättä muovattavuutta vetokokeessa. BH-kokeet osoittivat, että Q&P-käsitellyn teräksen ominaisuudet riippuvat aiemmasta muodonmuutoksesta, ja pienikin aiempi muovaus nostaa voimakkaasti myötölujuutta, johtaen samalla paikalliseen murtumiseen. Terästen hiilipitoisuus voi siksi rajoittaa niiden käyttöä teollisissa komponenteissa. Kavitaatioeroosiokokeet kuitenkin osoittivat, että Q&P soveltuisi terästen kavitaatioeroosiokestävyyden parantamiseen. Kavitaatioeroosion aikana austeniitti muuttuu martensiitiksi, mikä estää halkeamien etenemistä ja kovettaa teräksen pintaa. Siten Q&P-lämpökäsittelyä voitaisiin käyttää pidentämään kavitaatiolle alttiissa ympäristöissä käytettävien ruostumattomasta teräksestä valmistettujen komponenttien käyttöikää.

Modern steel industry has great interest in developing stronger steel grades to reduce the weight of components used in vehicles for improved fuel economy. Third generation advanced high strength steels with multiphase microstructures are currently being developed to meet these aims. One approach for producing these steel grades is application of novel heat treatments. Quenching and partitioning (Q&P) is a relatively new heat treatment in which retained austenite is stabilized with carbon partitioning from martensite. While competing mechanisms such as bainite and carbide formation are usually suppressed with silicon alloying, Q&P could also be utilized for stainless steels.

This thesis investigates the heat treatment design, the resulting microstructure, properties, and new applications of quenching and partitioning on martensitic stainless steels. The effects of different heat treatment parameters were evaluated with computer simulations and empirical characterization. Q&P heat treatments were applied for two martensitic stainless steels, and the resulting microstructure was analyzed with electron microscopy, X-ray diffraction, and mechanical testing. Based on these results, bake hardening (BH) treatment simulating the effect of industrial painting was applied to heat treated samples. Moreover, Q&P steels were tested under cavitation erosion using vibratory ultrasonic apparatus to evaluate their performance.

The results show that while the obtainable phase fractions depend on the initial quenching parameters, the properties of Q&P steels are also dependent on the partitioning parameters, suggesting that using lower than typical partitioning temperatures improves the tensile strength without sacrificing tensile ductility. Bake hardening tests showed that Q&P martensitic stainless steel is sensitive to prior deformation, and even small prior deformation can increase the yield strength drastically while resulting in localized failure. The carbon content of the examined steels may therefore limit the feasibility of their use in some applications. However, tests on cavitation erosion showed that Q&P could be used for improving cavitation erosion resistance. During cavitation erosion the retained austenite transforms into martensite, which suppresses crack propagation and hardens the steel surface. Thus, Q&P could be used for prolonging the service life of stainless steel components used in environments where cavitation takes place.