STUDIUM DEFORMAČNÍHO CHOVÁNÍ NÍZKOUHLÍKOVÉ OCELI PŘI FINÁLNÍM DVOUPRŮCHODU NA PÁSOVÉ TRATI STECKEL ZA TEPLA. Libor Černý a, Ivo Schindler b

Transkript

1 STUDIUM DEFORMAČNÍHO CHOVÁNÍ NÍZKOUHLÍKOVÉ OCELI PŘI FINÁLNÍM DVOUPRŮCHODU NA PÁSOVÉ TRATI STECKEL ZA TEPLA Libor Černý a, Ivo Schindler b a NOVÁ HUŤ, a.s., oddělení Technický rozvoj a ekologie, Vratimovská 689, Ostrava-Kunčice, ČR, lcerny@novahut.cz b VŠB Technická univerzita Ostrava, Ústav modelování a řízení tvářecích procesů, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR, ivo.schindler@vsb.cz Abstrakt Na laboratorní válcovací trati Tandem byl za tepla válcován pás z hlubokotažné nízkouhlíkové oceli jakosti dle ČSN. Po jednotném ohřevu na teplotu 1150 C byly vzorky předválcovány na tloušťku 3,1 až 3,6 mm a následně doválcovány za teploty 860 C na konečnou tloušťku 2,0 mm, a to dvěma rychle po sobě následujícími úběry o různé velikosti. Vyválcované vzorky byly chlazeny ve vodě (z důvodu fixace struktury) nebo volně na vzduchu. U hotových vývalků byla metalograficky hodnocena mikrostruktura a rázovou zkouškou střední nárazová práce s cílem zjistit, jaký vliv má velikost a historie finálních dvou úběrů na výsledné vlastnosti pásu. Byla určena významná role různé velikosti a posloupnosti těchto úběrů pro zajištění žádaného průběhu rekrystalizačních procesů a tím i získání jemnozrnné a homogenní výsledné mikrostruktury. Zjištěné poznatky umožní optimalizaci úběrových plánů při válcování hlubokotažných ocelí na dvoustolicové pásové trati P1500 v Nové huti. Strips of a low carbon steel of grade according to the Czech Standards have been hot-rolled at the laboratory mill Tandem. After an identical heating on the temperature 1150 C the samples have been roughed down to the thickness 3,1 to 3,6 mm and consequently rolled on the final thickness 2,0 mm by two rapidly successive passes of various reduction. The rolled samples have been cooled into water (by reason of a structure fixation) or free on air. Microstructure of the resultant samples has been evaluated by metallography. The impact value has been measured in order to find out the influence of the finishing two passes reductions and history on the strip properties. The significant effect of various size and succession of these passes for requested progress of recrystallization thereby also obtaining of fine grain and homogeneous final microstructure has been discovered. Ascertained findings will provide the pass schedules optimization at rolling of deep drawing steels at a two stands rolling mill P1500 in Nova hut. 1. ÚVOD Ústavem modelování a řízení tvářecích procesů na VŠB TU Ostrava byla vyvinuta a zprovozněna laboratorní válcovací trať Tandem, která představuje unikátní experimentální zařízení sloužící zejména k fyzikálnímu modelování reálných procesů tváření a termomechanického zpracování především plochých vývalků (plechů a pásů) [1]. 1

2 Díky své originální koncepci založené na součinnosti dvou vratných stolic, řídicího počítače a dalších zařízení je schopna plnit mimořádně širokou škálu úkolů, spojených se zaváděním nejnovějších technologií objemového tváření, s výzkumem fyzikálně metalurgických dějů a deformačního chování ocelí i progresivních méně tradičních materiálů při jejich objemovém tváření. Dané zařízení nemá ve Střední Evropě obdobu a i z pohledu špičkových světových výzkumných center je vysoce konkurenceschopné. Zásadní roli při tom hraje maximální příbuznost procesu laboratorního modelování a simulovaných tvářecích procesů, rovnoměrnost deformace a také velikost výsledných vzorků usnadňující následná metalografická studia, mechanické zkoušení apod. Při vhodném využití dovoluje trať Tandem optimalizaci stávajících technologií válcování za tepla z hlediska získání produktů s přesně definovanými špičkovými vlastnostmi [2 5]. Jednou z technologií, které je laboratorní válcovací trať Tandem díky svému uspořádání schopna efektivně simulovat, je válcování pásu za tepla na dvoustolicové vratné trati typu Steckel. Je tedy samozřejmé, že byla v posledních letech intenzivně využívána při návrzích, ověřování a úpravách technologických postupů pro výrobu za tepla válcovaného pásu v NOVÉ HUTI, a. s. [6 9], kde je od roku 1999 širokopásová trať typu Steckel v provozu. 2. POPIS EXPERIMENTU Cílem experimentu bylo ověřit vliv posloupnosti deformací různé velikosti při závěrečném dvojúběru na charakter mikrostruktury za tepla válcovaného pásu z nízkouhlíkové oceli. Pro modelové válcování byly připraveny vzorky z plynule lité bramy o rozměrech 100 x 40 x 9,5 mm (chemické složení je uvedeno v tab. 1). Vlastní válcování probíhalo na počítačem řízené laboratorní válcovací trati Tandem, přičemž válce stolice A (průměr 159,3 mm) i stolice B (průměr 158,0 mm) se otáčely nominální rychlostí 220 min -1. Tabulka 1: Chemické složení použité oceli v hm. % C Mn Si P S Cu Ni Cr Sn Al 0,054 0,29 0,054 0,009 0,008 0,157 0,037 0,039 0,015 0,066 Připravené vzorky byly ohřívány jednotně na teplotu 1150 C a předválcovány čtyřmi vysokoteplotními úběry ε 1 až ε 4 na přechodnou tloušťku h 4 3,2; 3,4 nebo 3,6 mm. Následovalo volné chladnutí rozvalku na teplotu 860 C. Po dosažení této teploty byly provedeny dva doválcovací úběry, z nichž každý měl odstupňovanou velikost ε 5 a ε 5 přibližně 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 15 %, 10 % nebo 5 %, viz tab. 2. Posloupnost jednotlivých úběrů byla následující: - Stolice A, pak meziúběrová pauza cca 1 s (měřeno z průběhu válcovacích sil doba mezi středy silových píků při sledování dvou následných průchodů). - Stolice B, pak reverzace obou stolic a meziúběrová pauza asi 5 s. - Stolice B, pak meziúběrová pauza asi 1 s. - Stolice A, pak reverzace obou stolic během ochlazovací prodlevy dlouhé přibližně s (v závislosti na přechodné tloušťce h 4 ). - Stolice A, pak meziúběrová pauza asi 0,4 s. - Stolice B, poté provalek zajede po válečkovém dopravníku za 2 s do vodní kalící lázně, kde dojde k rychlé fixaci struktury asi poloviny vzorku (celková délka rozvalku je, v závislosti na konečné tloušťce, 490 až 510 mm). Druhá polovina vzorku vyčnívá z lázně a je chlazena 2

3 volně na vzduchu. Tímto způsobem je možno z každého provalku získat dva odlišné, protože různě rychle chladnoucí, vzorky pro následné strukturní analýzy. Na obr. 1 a 2 jsou uvedeny dva způsoby záznamu průběhu válcovacích sil. Na obr. 1 jsou na tomto záznamu zobrazeny mezioperační pauzy, na obr. 2 nikoliv. Tabulka 2: Parametry válcování jednotlivých vzorků číslo h 0 h 1 h 2 h 3 h 4 h 5 h 6 ε 1 ε 2 ε 3 ε 4 ε 5 ε 5 vzorku [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 1 9,5 6,7 5,1 4,0 3,2 3,03 1,90 29,5 23,9 21,6 20,0 5,3 37,3 2 9,5 6,7 5,1 4,0 3,2 2,87 1,89 29,5 23,9 21,6 20,0 10,3 34,1 3 9,5 6,7 5,1 4,0 3,2 2,70 1,80 29,5 23,9 21,6 20,0 15,6 33,3 4 9,5 6,7 5,1 4,0 3,2 2,55 1,81 29,5 23,9 21,6 20,0 20,3 29,0 5 9,5 6,7 5,1 4,0 3,2 2,40 1,85 29,5 23,9 21,6 20,0 25,0 22,9 6 9,5 6,7 5,1 4,0 3,2 2,25 1,86 29,5 23,9 21,6 20,0 29,7 17,3 7 9,5 6,7 5,1 4,0 3,2 2,11 1,87 29,5 23,9 21,6 20,0 34,1 11,4 9 9,5 6,9 5,5 4,4 3,4 3,05 1,95 27,4 20,3 20,0 22,7 10,3 36,1 10 9,5 6,9 5,5 4,4 3,4 2,85 1,91 27,4 20,3 20,0 22,7 16,2 33,0 11 9,5 6,9 5,5 4,4 3,4 2,70 1,85 27,4 20,3 20,0 22,7 20,6 31,5 12 9,5 6,9 5,5 4,4 3,4 2,55 1,83 27,4 20,3 20,0 22,7 25,0 28,2 13 9,5 6,9 5,5 4,4 3,4 2,35 1,89 27,4 20,3 20,0 22,7 30,9 19,6 15 9,5 6,9 5,5 4,4 3,4 2,25 1,86 27,4 20,3 20,0 22,7 33,8 17,3 18 9,5 7,0 5,6 4,5 3,6 3,05 1,92 26,3 20,0 19,6 20,0 15,3 37,0 19 9,5 7,0 5,6 4,5 3,6 2,85 1,87 26,3 20,0 19,6 20,0 20,8 34,4 21 9,5 7,0 5,6 4,5 3,6 2,70 1,86 26,3 20,0 19,6 20,0 25,0 31,1 22 9,5 7,0 5,6 4,5 3,6 2,50 1,89 26,3 20,0 19,6 20,0 30,6 24,4 25 9,5 7,0 5,6 4,5 3,6 2,35 1,85 26,3 20,0 19,6 20,0 34,7 21,3 Obr. 1: Časový průběh celkových válcovacích sil při tváření vzorku č. 4 3

4 Obr. 2: Hodnoty celkových válcovacích sil při tváření vzorku č ROZBOR VÝSLEDKŮ Z každého provalku byly připraveny dva vzorky pro metalografickou analýzu. Jeden z té části, která byla chlazena ve vodě, druhý z té, co byla volně chlazena na vzduchu. Při této analýze byl kladen důraz na hodnocení vlivu velikosti posledního úběru ε 6 a způsobu chlazení na charakter mikrostruktury. Při studiu vlivu velikosti úběru ε 6 na charakter mikrostruktury bylo zjištěno, že: - Je li poslední úběr menší než 15 % je mikrostruktura povrchové části provalku tvořena velmi hrubými zrny, o velikosti 7 (dle ČSN ). Tato hrubozrnná mikrostruktura zasahuje do hloubky 0,1 0,15 mm a poté následuje vrstva s tloušťkou kolem 0,2 mm, která je tvořena velmi heterogenní mikrostrukturou, v níž jsou zrna o velikosti 7, ale i 12, viz obr Je li velikost poslední úběr v rozmezí 15 až 20 %, je mikrostruktura povrchové části provalku tvořena velmi hrubými zrny o velikosti 7 jen místně, do hloubky max. 0,2 mm, viz obr. 4. Heterogenní podpovrchová vrstva nebyla zjištěna, středová část rozvalku je tvořena zrny o velikosti 10 až Přesáhne li velikost posledního úběru 20 % je mikrostruktura provalku jemnozrnná a homogenní, bez výrazných rozdílů mezi jeho povrchovou a středovou částí, viz obr. 5. Feritické zrno dosahuje velikosti 11 až 12. Na základě těchto poznatků lze konstatovat, že příliš malé, podkritické deformace u posledního úběru mají za následek vznik hrubozrnné a heterogenní mikrostruktury v povrchových částech rozvalku. Ukazuje se, že deformace menší než 15 % není u této oceli za těchto podmínek (teplota 860 C, rychlost deformace 50 s -1 ) dostatečná pro vyvolání rekrystalizace v celém objemu rozvalku. 4

5 Obr. 3: Mikrostruktura povrchové části vzorku č. 7 Obr. 4: Mikrostruktura povrchové části vzorku č. 6 Obr. 5: Mikrostruktura povrchové části vzorku č. 10 Při hodnocení vlivu způsobu chlazení provalku na charakter mikrostruktury bylo zjištěno, že: - Mikrostruktura vzorků, jež byly ihned po vyválcování zchlazeny ve vodě, je ve srovnání s těmi, co byly chlazeny na vzduchu, jemnozrnnější a na rozdíl od feriticko perlitické struktury na vzduchu chlazených vzorků je tvořena i určitým podílem zákalných fází, viz obr. 6 a 7. - U vzorků chlazených ve vodě, u nichž velikost posledního úběru nepřesahuje 20 %, je v jejich středové části patrný vliv velikosti předposledního úběru, viz obr. 6 a 8. S rostoucí velikostí úběru ε 5 dochází ke zjemňování struktury středové části vzorků. Tato skutečnost podporuje předpoklad, že poslední úběr o nedostatečné velikosti nezaručí průběh rekrystalizace v celém objemu vzorku. - Užitečnost fixace struktury pro následné metalografické analýzy je patrná z obr. 9. Rozdíl ve velikosti zrna v povrchové a podpovrchové části je u vzorku č. 7 mnohem více patrný než na obr. 3, kde je dokumentována struktura volně chlazené části téhož vzorku. Z rozdílu v charakteru mikrostruktury vzorků chlazených ve vodě a na vzduchu lze usuzovat, že doba 2 s, což je doba od konce deformace do zchlazení části vzorku ve vodě, není dostatečná pro průběh statické rekrystalizace. Jsou tak potvrzeny závěry práce [9], kde je konstatováno, že doba potřebná pro dokončení statických odpevňovacích procesů je u této oceli přibližně 30 s. Za velmi zajímavý, především z provozního hlediska, je možno považovat vliv mezioperační pauzy na charakter mikrostruktury vývalku. V práci [8] je hodnocen mj. vliv posloupnosti posledních dvou úběrů na konečnou mikrostrukturu. Mikrostruktura vývalku, jehož předposlední úběr byl 15 % a poslední 25 %, je velmi heterogenní v celém objemu vzorku, viz obr. 10. S tímto vývalkem je možno srovnat vývalek č. 3, který se liší především délkou mezioperační pauzy, která je 0,4 s ve srovnání s 2 s u výše uvedeného vzorku. Struktura vzorku s kratší mezioperační pauzou je jemnozrnnější a mnohem více homogenní, viz obr

6 Obr. 6: Mikrostruktura středové části vzorku č. 14 (chlazeno ve vodě) Obr. 7: Mikrostruktura středové části vzorku č. 14 (chlazeno na vzduchu) Obr. 8: Mikrostruktura středové části vzorku č. 7 (chlazeno ve vodě) Obr. 9: Mikrostruktura povrchové části vzorku č. 7 (chlazeno ve vodě) Obr. 10: Mikrostruktura středové části vzorku [8] s mezioperační pauzou 2 s Obr. 11: Mikrostruktura středové části vzorku č. 3 s mezioperační pauzou 0,4 s Je pravděpodobné, že při delší mezioperační pauze dochází u nedostatečně velkého předposledního úběru, který nezajistí průběh rekrystalizace v celém objemu vzorku, k místnímu růstu zrna a ani poslední, zdánlivě dostatečně velký úběr již nezajistí dosažení 6

7 jemnozrnné homogenní mikrostruktury v celém vývalku. Je li mezioperační pauza krátká, nedojde k lokálnímu růstu zrna a poslední úběr o dostatečné velikosti zabezpečí, že výsledná je mikrostruktura jemnozrnná a homogenní. 4. ZÁVĚRY Rozborem poznatků, získaných při metalografickém rozboru vývalků tloušťky 1,85 1,95 mm válcovaných na laboratorní počítačem řízené trati Tandem, bylo zjištěno, že na charakter mikrostruktury těchto vývalků má výrazný vliv velikost a posloupnost posledního a předposledního úběru, stejně jako délka mezioperační pauzy. Ukázalo se, že okamžitou fixací mikrostruktury je možno získat cenné poznatky o průběhu statických odpevňovacích dějů u studované oceli. Získat tyto údaje v provozních podmínkách by bylo téměř nemožné. Bylo zjištěno, že za sledovaných podmínek (teplota 860 C, mezioperační pauza 0,4 s, rychlost deformace 50 s -1 ) má nedostatečně velký poslední úběr (pod 15 %) za následek vznik hrubozrnné a velmi heterogenní mikrostruktury v povrchové a podpovrchové části vývalku. Dosahuje li poslední úběr velikosti % dochází ke vzniku hrubozrnné mikrostruktury jen ojediněle, při velikosti nad 20 % je výsledná mikrostruktura homogenní a jemnozrnná. Významný vliv na charakter mikrostruktury má i délka mezioperační pauzy. Při jejím zkrácení na cca 0,4 s je výsledná mikrostruktura mnohem příznivější, než je tomu v vývalků, válcovaných stejnými úběry, ale s delší meziúběrovou pauzou, kdy může při nevhodně zvoleném úběrovém plánu docházet k místnímu hrubnutí feritického zrna a tudíž ke vzniku heterogenní mikrostruktury. Získané poznatky jsou nesmírně cenné z provozního hlediska a mohou být použity při vývoji a úpravách technologie válcování pásu za tepla, u něhož bude dosaženo optimálních strukturních a tedy i mechanických vlastností z pohledu následujícího zpracování tvářením za studena. LITERATURA [1] SCHINDLER, I.: Modelová válcovací trať Tandem představena na veletrhu METAL 98. Hutnické listy, 1998, roč. 53, č. 7-8, s [2] SCHINDLER, I. a kol.: Modelování válcování za tepla a ochlazování plochých vývalků na laboratorní trati Tandem. METAL 99. Tanger. Ostrava 1999, 2. díl, s [3] RADINA, M., SCHINDLER, I., BÍLOVSKÝ, P.: Možnosti počítačového řízení laboratorní válcovací tratě Tandem. TRANSFER 99. VUT Brno. Brno 1999, s. K47-K48. [4] SCHINDLER, I. a kol.: Simulace feritického válcování na laboratorní trati Tandem. FORMING 99. PS Katowice. Zlaté Hory 1999, s [5] SCHINDLER, I. a kol.: Optimization of the hot flat rolling by its modelling at the laboratory mill Tandem. In: 6th ICTP. Springer-Verlag Berlin. Nürnberg 1999, Vol. 1, s [6] ČERNÝ, L., SCHINDLER, I. Modelování válcování teplého ocelového pásu konstrukčních jakostí na laboratorní válcovací trati Tandem. In: 9 th International Metallurgical Conference METAL TANGER Ostrava. Ostrava 2000, Paper No [7] ČERNÝ, L., SCHINDLER, I. Modelové válcování teplého ocelového pásu jakosti ČSN na laboratorní válcovací trati Tandem. In: FORMING 2000, PŚ Katowice. Ustroń 2000, s [8] ČERNÝ, L., SCHINDLER, I. Vliv podmínek válcování na charakter mikrostruktury pásu z hlubokotažné oceli. In: FORMING 2002, VŠB TU Ostrava. Luhačovice 2002, s [9] ČERNÝ, L., SCHINDLER, I. Vliv teploty ohřevu a parametrů ochlazování na výslednou mikrostrukturu za tepla válcovaného pásu z hlubokotažné oceli. In: FORM 2002, VÚT Brno. Brno 2002, s Experimentální práce byly prováděny v rámci řešení projektu MPO ČR FD-K/037. 7