POVRCHOVÉ DEFEKTY BRAM Z NÍZKOUHLÍKOVÝCH OCELÍ. Pavol Marek a Antonín Ševčík b

Transkript

1 POVRCHOVÉ DEFEKTY BRAM Z NÍZKOUHLÍKOVÝCH OCELÍ Pavol Marek a Antonín Ševčík b a VSÚ U. S. Steel Košice, s.r.o., Košice, SR, pmarek@usske.sk b ÚMV SAV, Watsonova 47, Košice, SR, sevcik@imrnov.saske.sk Abstrakt Povrchové defekty na plochých výrobcích často vznikají jako důsledek různých vad v povrchových oblastech bram. V příspěvku je uvedená klasifikace povrchových defektů, odvozená od možností vizuální identifikace defektů na povrchu bram. Jednotlivé skupiny defektů jsou popsány pomocí standardních metod fyzikální metalurgie. Zvláštní pozornost je věnována těm povrchovým defektům bram, které není možné vizuálně identifikovat. Jedná sa především o nauhličení povrchu při použití nevhodných licích prášků, kdy dochází k přednostní difuzi uhlíku po hranicích primárních licích zrn a k jejich oslabování.. Obdobný nepříznivý vliv má výskyt drobných částic z desoxidace anebo ze sekundární metalurgie, které se vyskytují přednostně na hranicích primárních licích zrn. Občasně, v důsledku nevhodného proudění ocele v krystalizátoru, se vyskytují v podpovrchových oblastech vměstky makroskopické velikosti. Uvedené vady a další méně obvyklé vady, které jsou v příspěvku popsány, způsobují na plochých výrobcích vznik šupin, kterých původ se zpětně identifikuje jen velmi obtížně. SURFACE DEFECTS ON LOW CARBON STEEL SLABS Surface defects on flat products often arise as a consequence of various flaws in the surface regions of slabs. A classification of surface defects derived from possibilities of their visual identification on the surface of slabs is given in the contribution. Each group of defects is described by help of standard physical-metallurgical methods. Special attention was given to such surface defects on slabs, which could not be identified visually. That is mainly carbonization of the slab surface after using improper melting powders; in such case preferential diffusion of carbon along the primary casting grain boundaries and thus their weakening is taking place. The presence of small particles date back of deoxidation or secondary metallurgy, which preferably occur on the primary casting grains, has a similar negative effect. Macroscopic inclusions are occasionally present in the subsurface area of the slab and their cause is an improper steel flow in the crystallizer. These flaws and further less common flaws, described in the contribution, are causing formation of mill chips on flat products, but the backward identification of their origin is extremely difficult 1. ÚVOD Při výrobě bram vznikají různé povrchové defekty. Nejčastěji se jedná o příčné a podélné trhliny. Za defekty se někdy považují i výrazné oscilační vrásky. Defekty tohoto typu lze lehce vizuálně identifikovat a bramy po inspekci opravit scarfovaním, případně vyřadit. Nezřídka se ale v dalších technologických operacích objevují různé povrchové defekty i na materiálu pocházejícím z bram, které měly vizuálně bezdefektní povrch. Zvlášť nepříjemný je výskyt defektů klasifikovaných jako šupiny na hotovém výrobku plechu. V příspěvku jsou stručně shrnuté základní poznatky o nejčastěji se vykytujících defektech v praxi v posledních letech. 1

2 Obr. 1 Ukázka řezu rozměrnou trhlinou na povrchu bramy, lept. nital 2. VIZUÁLNĚ IDENTIFIKOVATELNÉ DEFEKTY Do této skupiny lze zařadit hlavně podélné a příčné trhliny. Za základní příčinu vzniku těchto trhlin lze považovat různá napětí, která vznikají při nerovnoměrném ochlazování bram v licím stroji. Trhliny vznikají zpravidla za vysokých teplot. I když původ trhlin je důsledkem technologických závad, odolnost povrchu proti jejich vzniku, resp. rozsahu poškození, je ovlivňována vysokoteplotními vlastnostmi daného materiálu. Na plasticitu ocele za vysokých teplot negativně působí stopové prvky [1, 2]. Charakter trhlin na metalografických řezech je v obou případech obdobný a je dokumentovaný na obr. 1. Vznik trhlin je často provázen výskytem jiných defektů, například podpovrchových makrovměstků a drobnými fázemi vyloučenými na hranicích primárních licích zrn. Ojediněle se vyskytují lomy, které vznikají za nižších teplot, ve feritické oblasti. Obvykle se jedná o experimentální tavby s relativně vysokým obsahem mikrolegur a poměrně rychle ochlazované bramy. Mikrolegury precipitačním zkřehnutím vytvoří stav, že pro vznik lomu postačují poměrně malé povrchové defekty v smyslu kritického defektu pro vznik náhlého křehkého lomu, v daných případech mechanismem transkrystalického štěpení. Typický případ je uveden na obr. 2, kdy trhlina rozměru cca 5 mm byla dostatečná pro vznik lomu, který způsobil destrukci bramy. Náhlý lom, obr. 3, je štěpný. Lze důvodně předpokládat, že vzniku těchto lomů lze spolehlivě zabránit pomalým ochlazováním bram pro snížení hladiny termických napětí. 2

3 Obr.2 Interkrystalická iniciace lomu. Obr.3 Štěpné dolomení 3. VIZUÁLNĚ NEIDENTIFIKOVATELNÉ DEFEKTY Tato skupina defektů zahrnuje hlavně oslabení hranic primárních licích zrn drobnými fázemi, obr. 4, makrovměstky, obr. 5 a nauhličením povrchu bram. Prvé dva jmenované efekty jsou způsobovány nevhodným prouděním ocele v krystalizátoru. Výrazné hranice na obr. 4 jsou způsobeny tím, že při transformaci σ α drobné částice na hranicích původních licích zrn iniciují vznik drobných feritických zrn. Výskyt drobných fází na hranicích zrn je také podporován případnými nedokonalostmi při sekundárním zpracováním ocele, hlavně nedostatečným časem pro přechod zplodin do strusky. Drobné částice jsou po solidifikaci ocele zřejmě rozptýlené v povrchových oblastech více méně rovnoměrně. Jak ale ukazují metalografické analyzy, při granulaci struktury dochází s vysokou pravděpodobností k jejich vlečení hranicemi zrn, na kterých zůstávají. Uvedené částice snižují pevnost hranic, následně v austenitické oblasti často dochází k vzniku vlasových trhlin a k penetraci atmosférického kyslíku do nich. Ve skupině ocelí s velmi nízkými obsahy uhlíku má značně negativní dopady lokální nauhličení povrchu bram, obr. 6, při použití nevhodného licího prášku. V důsledku přednostní difuze uhlíku po hranicích primárních licích zrn se tyto oslabují následujícím mechanismem. V prvé fáze dochází k obohacování hranic primárních licích zrn uhlíkem. Při ochlazování se rozpustnost uhlíku v oceli snižuje a na hranicích se vylučuje cementit, obr. 7. Při styku ocele s atmosférou naopak dochází k oxidaci hranic zrn. Výsledný efekt závisí na různých okolnostech, nicméně oslabování hranic zrn je zřejmé. Blíže jsme tento mechanismus popsali například v [3]. DISKUSE Výše uvedené defekty jsou způsobeny různými technologickými závadami při výrobě a odlévání ocele. Jak bylo řečeno, nejedná se o vyčerpávající popis, lokálně se vyskytují i jiné typy defektů. Také se lze domnívat, že převažující typy defektů jsou závislé na konkretních podmínkách té které ocelárny. Dále lze konstatovat, že část povrchových defektů má jiné příčiny. Jde např. o mechanické poškození povrchu bram a různé závady při tváření. 3

4 V důsledku defektů popsaných jako vizuálně neidentifikovatelné vznikají na výrobcích chyby, obvykle klasifikované jako šupiny. Jejich výskyt bývá často náhodný a vady způsobují značné výrobně - organizační problémy. V této souvislosti vznikají otázky efektivnosti scarfování povrchu bram a obecně možností identifikace defektů na bramách. Je nesporné, že čistění povrchu zlepšuje povrchovou kvalitu výrobků, na druhé straně ale zhoršuje výtěžnost kovu a zvyšuje náklady. Případná aplikace při výrobě nízkouhlíkových ocelí je proto posuzovaná spíše z ekonomického hlediska. Obr. 4 Drobné částice na hranicích primárních licích zrn. Obr. 6 Trhliny na nauhličeném povchu Obr. 7 Cementit na hranicích zrn, ŘEM Obr.5 Makrovměstek pod povrchem bramy Mimo metalografických rozborů defektních bram jsme realizovali analýzy povrchu bram vybraných ocelí, které byly klasifikovány jako bezdefektní. 4

5 Při studiu povrchových vrstev bezdefektních bram z běžné produkce bylo v létech použitých cca 350 metalografických výbrusů s celkovou plochou cca mm 2. Výskyt potenciálně nebezpečných vad, ktoré jsou lokalizovány do hloubky více 1 mm, byl zjištěn pouze v pěti případech. Hranice 1 mm byla zvolena vzhledem k opalu při ohřevu bram. Pro přibližnou informaci o makrovměstcích v bramách a možnostech jejich identifikace při metalografických rozborech bol použitý počítačový program, ktorý je založený na prostorovém modelování systému objektů a zkoumání vlastností rovinných řezů [4]. Z počítačových simulací vyplynulo, že pokud při metalografických rozborech byl na cca 150 náhodných řezech identifikován 1 potenciálně nebezpečný makrovměstek, tomu odpovídá průměrný výskyt cca 5 potenciálně nebezpečných částic pro povrch bramy 1 m 2 a hloubku mm. Uvedená čísla je nutné považovat pouze za orientační, závisí na konkretních jakostech ocelí a zjevně se mění se změnami technologie. Jak bylo uvedeno, jde o potenciálně nebezpečná místa, praktický výskyt defektů je mnohem nižší. Závěrem diskuse lze konstatovat, že metalografické analyzy jsou účelné z hlediska pochopení mechanizmu tvorby defektů při výrobě a odlévání ocele, jakož i při manipulaci s bramami a při jejich dalším zpracování. Pro kvalitu povrchu bram jsou samozřejmě nezastupitelné specializované systémy řízení kvality založené na sběru významných informací a jejich analyze. ZÁVĚR V příspěvku byly popsány povrchové a podpovrchové defekty bram z nízkouhlíkových ocelí včetně mechanismů jejich vzniku. Za nejnebezpečnější pro kvalitu povrchu výrobků jsou považovány defekty typu šupiny, které často vznikají z defektů, na bramách vizuálně neidentifikovatelných. Příčinou jsou výskyt drobných částic na hranicích primárních licích zrn, nauhličení povrchu a případné makrovměstky. LITERATURA [1] ŠEVČÍK, A.,GABÁNIOVÁ, M.: High Temperature Fracture of Low Carbon Steels in the Cast Stage. Transactions of the Universities of Košice, 2000, č.2, s [2] LONGAUEROVÁ, M.,FUJDA, M.,LONGAUER, S.: Vplyv prímesí na vlastnosti plynule odlievaných brám. Acta Metallurgica Slovaca, 1997, roč. 3, s [3] ŠEVČÍK, A., MAREK, P.: Niektoré príčiny vzniku priečnych trhlín na kontinuálne odlievaných bramách. Oceľové plechy, 1995, roč. 22,, č. 1, s [4] ŠEVČÍK, A., KOHÚTEK, I., MAREK, P.: Využitie priestorového modelovania objektov pre hodnotenie kvality ocele. Oceľové plechy, 1997, roč.24, s