Vliv rychlosti ochlazování na vlastnosti mikrolegované oceli

Transkript

1 Vliv rychlosti ochlazování na vlastnosti mikrolegované oceli Zdeněk Vašek a, Anna Moráfková a, Vladimír Švinc a, Ivo Schindler b, Jiří Kliber b a NOVÁ HUŤ a.s., Ostrava - Kunčice, ČR, zvasek@novahut.cz, amorafkova@novahut.cz, vsvinc@novahut.cz b VŠB-TU OSTRAVA, FMMI, katedra tváření materiálu, 17. Listopadu, Ostrava-Poruba, ivo.schindler@vsb.cz, jiri.kliber@vsb.cz Abstrakt Použití mikrolegovaných ocelí nachází stále více oblastí jejich uplatnění. Nedílnou součástí studia vlastností těchto ocelí je posouzení vlivu rychlosti ochlazování v podmínkách po doválcování. Za tímto účelem byl proveden experiment s cílem simulovat tváření a ochlazování plochých tyčí různých tlouštěk. Výsledky je možno aplikovat i na další sortiment vyráběných dlouhých výrobků. Using of microalloying steels finds more and more regions of their exercise. One of the part of studied properties of these steels is an examination of the influence of cooling rate in conditions after rolling. For this purpose was carried out the experiment with a view to simulate forming and cooling of flat bars of different thickness. Results can be applied on the next long products. 1. ÚVOD Jednou z možností simulace válcovacích procesů je využití experimentálního laboratorního zařízení. Výhody těchto experimentů jsou především v tom, že umožňují simulovat různé válcovací podmínky, které by při praktickém válcování nebylo možné bez vyšších provozních nákladů jednoduše realizovat. Jedná se o předem definované základní parametry válcování jako je deformační rychlost, deformace, válcovací rychlost, definované podmínky ohřevu a dochlazovací podmínky [1, 2]. Uvedených výhod bylo využito již při sestavení experimentálního válcování plochých tyčí jakostního stupně S355 podle EN A1, při kterém bylo použito k proválcování dvou typů mikrolegovaných ocelí za předem stanovených válcovacích podmínek. Získané výsledky, které byly následně publikovány [2], byly ve shodě s provozními zkušenostmi při válcování tyčí menších tlouštěk. Simulace výroby tyčí o větším průřezu vyžaduje vzhledem k finálním rozměrům vývalků po laboratorním doválcování pomalejší rychlosti ochlazování než ochlazování na vzduchu. Zpomalené ochlazování je v předkládaném experimentu zabezpečeno vložením proválcovaných vzorků do vyhřáté elektrické pece, používané pro předehřev. Cílem experimentu pak bylo zjistit vliv rychlosti ochlazování na vlastnosti válcované mikrolegované oceli. Parametrem pro posuzování dosažených výsledků bylo především stanovení nárazové práce KV, jako jedné z velmi citlivých zkoušek na strukturní změny. Vzorky byly dále podrobeny i mikrostrukturnímu rozboru. 2. POPIS EXPERIMENTU Vlastní experimentální práce pro zjištění vlivu podmínek ochlazování na vlastnosti za tepla válcované mikrolegované oceli byly provedeny na laboratorní válcovací stolici

2 TANDEM Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů VŠB-TUO [1]. K experimentu byly použity vzorky odebrané z vyválcované ploché tyče 100 x 25 mm se stupněm protváření 12,96. Chemická analýza vzorků ( obsah prvků v hm. %) byla následující: C Mn Si P S Al Nb 0,16% 1,36% 0,20% 0,008% 0,015% 0,037% 0,03% Vzorky pro experimentální válcování měly všechny stejnou tloušťku 25 mm, pro zajištění shodných podmínek válcování. Ohřev vzorků byl proveden v elektrické odporové peci na austenitizační teplotu 1150 C a 1200 C. Následně byly vzorky převálcovány dvěmi úběry, každý o velikosti 15 %, volně ochlazeny na vzduchu na doválcovací teplotu Td + 40 C a doválcovány čtyřmi průchody: 21%, 13 %, 4 % a 4 %. Úběry byly voleny tak, aby se co nejvíce blížily reálným válcovacím úběrům na samotné válcovací trati. Teplota Td byla volena v rozmezí 1000 až 800 C viz tabulka 1. Povrchová teplota vývalku během ochlazovací pauzy byla měřena ručním pyrometrem LAND Cyclops 152A. Polovina hotových provalků o tloušťce asi 10,5 mm byla ochlazována zvláštním režimem, který spočíval v okamžitém vložení provalku do pece, vyhřáté na teplotu 500 C, pětiminutové výdrži s rychlostí ochlazování asi 2 C/s a teprve poté ve volném dochlazení na vzduchu s rychlostí ochlazování asi 1 C/s. Druhá polovina provalků byla chlazena přímo na vzduchu s počáteční rychlostí ochlazování asi 3 C/s, což dávalo možnost ve srovnání určit vliv rychlostí ochlazování na vývoj mikrostruktury a mechanické vlastnosti válcovaných tyčí. Tabulka 1. Režimy válcování a ochlazování Teplota ohřevu [ C] Teplota doválcování [ C] Způsob chlazení vzduch pec + vzduch vzduch pec + vzduch vzduch pec + vzduch vzduch pec + vzduch vzduch pec + vzduch vzduch pec + vzduch

3 Ke stanovení ochlazovacích křivek byl do jednoho vzorku vyvrtán otvor pro zapuštění termočlánku do jeho středové oblasti. K měření byl použit digitální teploměr OMEGA HH506R. Po ohřevu v jedné peci byl vzorek s termočlánkem ochlazován volně na vzduchu nebo zpomaleně složitějším režimem. Výsledky měření shrnuje obr. 1. Zlom na křivce v případě rychlejšího, volného chladnutí je patrně projevem fázové přeměny okolo 725 C. Obr. 1. Ochlazovací křivky Z takto odválcovaných vzorků byly bez dalšího tepelného zpracování vyrobeny zkušební tyče pro zkoušku rázem v ohybu KV a metalografický rozbor. 3. DOSAŽENÉ VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE Zkušební tyče pro zkoušku rázem v ohybu byly zkoušeny při teplotě 0 C, což je běžná teplota, pro níž jsou konstrukce z uvedeného materiálu navrhovány. Výsledky zkoušky jsou uvedeny na obr. 2. Z dosažených výsledků je zřejmé, že doválcovací teplota, ale i vlastní způsob ochlazování má významný vliv na křehkolomové charakteristiky zkoumané oceli. Se snižující se teplotou doválcování z 1000 C na 800 C bylo možno zaregistrovat zvýšení KV asi o 40 J. Velmi výrazný vliv na mechanické vlastnosti měla teplota ohřevu. Ve všech případech měly vzorky ohřáté na teplotu 1150 C vyšší KV než u vzorků ohřátých na 1200 C. Rozdíl činil až 19 J při režimu Tdov = 800 C / vzduch. Porovnáním výsledků dosažených při rozdílné rychlosti ochlazování je patrný buď minimální pokles KV při ochlazování na vzduchu (rychlejší ochlazování) v porovnání ochlazováním pomalejším

4 v peci. Tento trend nebyl potvrzen pouze u vzorků s teplotou ohřevu 1150 C a Tdov = 1000 C a 800 C. Rozhodující vliv na výsledky KV měla výsledná mikrostruktura vzorků a případné precipitační jevy, které však v předložené práci nejsou analyzovány. Výsledky zkoušky rázem v ohybu KV nárazová práce KV (J) / vzduch 1000 / pec 900 / vzduch 900 / pec 800 / vzduch 800 / pec doválcovací teplota ( C) / způsob ochlazování Tohř.1150 C Tohř C Obr. 2. Výsledky zkoušky rázem v ohybu KV při 0 C Mikrostruktura vyválcovaných vzorků byla tvořena feritem, perlitem a bainitem. Podíl i morfologie jednotlivých strukturních složek se u jednotlivých vzorků lišil podmínkami jejich ochlazování. U vzorků s vyšší teplotou ohřevu byl podíl bainitu vyšší. Vyšší podíl bainitu byl v mikrostruktuře pozorován i v případě vzorků ochlazených pouze na vzduchu oproti vzorkům ochlazovaných v kombinaci pec vzduch, viz obr. 3. U této série byl zjištěn pokles obsahu bainitu se snižující se doválcovací teplotou. 50 µm 50 µm a) 1200 C / 1000 / vzduch b) 1200 / 1000 / pec-vzduch Obr. 3. Mikrostruktura vzorků

5 Rovněž uspořádání struktury bylo silně ovlivněno podmínkami ochlazování. Vzorky ochlazené na vzduchu měly uspořádání téměř rovnoměrné, pouze při nižších doválcovacích teplotách byl patrný náznak usměrnění struktury. Tento jev byl pozorován výrazněji u vzorků s vyšší teplotou ohřevu. U vzorků ochlazených v peci převažovala struktura feritickoperlitická v řádkovitém uspořádání. Řádkovitost se stávala výraznější s poklesem doválcovací teploty a to bez ohledu na výši teploty ohřevu, viz obr µm 100 µm a) 1200 C / 800 C / vzduch b) 1200 C / 800 C / pec vzduch Obr. 4. Mikrostruktura vzorků Feritické zrno bylo vyloučeno převážně v polyedrickém tvaru. V místech výskytu bainitu, případně v blocích, kde byl patrný perlit s náznakem bainitické transformace, se vyskytovala acikulární morfologie feritu. Vznik řádkovité struktury je v nízkolegovaných ocelích zapříčiněn segregacemi legujících substitučních prvků během tuhnutí dendritů [3]. Přísada prvků, jako je Mn, Cr a Mo zapřičiňují to, že tuhnutí probíhá v širokém rozsahu teplot a složení. Dendritická jádra pak tuhnou jako relativně čistý kov, zatím co místa mezi dendrity se stávají obohacenými roztoky. Tyto vysoce a nízko obohacené oblasti jsou během tváření protaženy do paralelních pásů. Několik výzkumných úkolů [4, 5] ukázalo, že největší vliv na vznik mikrostrukturních pásů v nízkolegovaných ocelích má Mn. Nicméně vliv na mikrostrukturní pásy má také rychlost ochlazování, velikost austenitického zrna a austenitizační teplota. Intensita mikrostrukturních pásů se zvětšuje při snižující se rychlosti ochlazování [6]. Studie ukázaly, že ochlazování v peci vytváří intenzivní řádkování, zatím co ochlazování na vzduchu vytváří ztěží definované feritické a perlitické pásy. Bylo prokázáno, že vyšší rychlost ochlazování, přibližně 5 C/s, a kritická velikost austenitického zrna, dané mezerami segregačních pásů, řádkování potlačuje. Při nízké rychlosti ochlazování rezultuje formování feritu v pásech s nízkým obsahem Mn v obohacení sousedních austenitických pásů s vyšším obsahem Mn o uhlík, což zapřičiňuje nukleaci perlitických pásů. Růst perlitické vrstvy je omezen difůzí uhlíku a vrstvy rostou v závislosti na rychlosti ochlazování [7]. Uvedené poznatky odpovídají pozorovaným mikrostrukturním změnám ve zkoušených vzorcích. 4. ZÁVĚR

6 Simulace válcování plochých tyčí byla provedena za účelem zjištění vlivu rozdílných rychlostí ochlazování na jejich mechanické vlastnosti. K válcování byla vybrána ocel mikrolegovaná Nb a úběrové schéma bylo voleno ve shodě s reálnými podmínkami tratě. Bylo zjištěno, že snížením doválcovací teploty z 1000 C na 800 C dojde ke zvýšení nárazové práce KV asi o 40 J. Vliv ochlazování se významně projevil na mikrostruktuře vývalků v tvorbě feriticko-perlitických pásů při pomalejším ochlazování v peci s dochlazením na vzduchu. Z výsledků hodnot nárazové práce lze konstatovat, že pomalejší ochlazování mělo příznivější vliv na dosažené výsledky kromě teplot doválcování 1000 C a 800 C. Výsledky tak pomohly objasnit mikrostrukturní jevy, které jsou obvyklé v reálných výrobcích, válcovaných na válcovací trati. Literatura [1] SCHINDLER, I. aj.: Controlled Rolling of a St52-3 Steel at the Laboratory mill TANDEM. Acta Metallurgica Slovaca, č. 6, 2000, str [2] VAŠEK, Z. aj.: Simulace válcování plochých tyčí a rovnoramenných úhelníků na laboratorní trati TANDEM. In Sborník z konference FORMING Politechnika Slaska Katowice, 2002, s [3] SMITH, W. F., Structure and Properties of Engineering Alloys, McGraw-Hill, New York, NY, 1993, s [4] VOLDRICH, C. B., Suppl. J. Am. Welding Soc., 1947, vol. 26, s. 153s-169s [5] GROSSTERLINDEN, R. aj.: Steel Res., 1992, vol.63, s [6] THOMPSON, S. W., HOWELL, P. R., Matter. Sci. Technol. 1992, vol.8, s [7] MAJKA, T. F. aj., Mettallurg. and Materials Trans. A, 2002, vol. 33A, s