PLASTOMETRICKÁ SIMULACE TERMOMECHANICKÉHO VÁLCOVÁNÍ DRÁTU. Karel Čmiel a Jiří Kliber b Dušan Vápeník c

Transkript

1 PLASTOMETRICKÁ SIMULACE TERMOMECHANICKÉHO VÁLCOVÁNÍ DRÁTU Karel Čmiel a Jiří Kliber b Dušan Vápeník c a TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Průmyslová 1000, Třinec, karel.cmiel@trz.cz b VŠB-TU OSTRAVA, FMMI, katedra tváření materiálu, 17. listopadu, Ostrava-Poruba, jiri.kliber@vsb.cz c VŠB-TU OSTRAVA, FMMI, katedra materiálového inženýrství, student, 17. listopadu, Ostrava-Poruba, dusan.vapenik@ .cz Abstrakt Šroubárenské oceli patří v Třineckých železárnách, a. s. k nejdůležitějším nosným výrobním programům. Mikrolegované MnTiB oceli zaujímají v tomto oboru nejvýznamnější postavení vzhledem ke své výborné tvařitelnosti za studena a garantovaným vlastnostem v zušlechtěném stavu. V práci byla věnována pozornost oceli značky 32CrB4 určené pro výrobu spojovacích součástí nejvyšší pevnostní třídy. Cílem plastometrických zkoušek jmenované oceli bylo zjistit extrémní podmínky tváření pro tuto ocel. Byla zvolena metoda tlakových zkoušek rovinnou deformací na zařízení Gleeble. Průběh experimentu simuloval podmínky tváření prvních úběrů na kontidrátové trati Třineckých železáren, a. s., Třinec a především válcování ve finálním bloku. Byly získány výsledky křivek napětí deformace při přerušovaných zkouškách, nárůsty teplot v průběhu deformace a byly simulovány podmínky ochlazování na Stelmor dopravníku. V práci jsou uvedeny i základní výsledky metalografického šetření vzorků plastometrické simulace. Abstract Cold heading steels belong to one of the most important production programmes in Třinecké železárny, joint-stock company. Microalloyed MnTiB steels have earned a considerable significance thanks to their excellent cold formability and guaranteed properties in the refined state. The work focuses on 32CrB4 grade steel suitable for the production of high-strength connecting components. The aim of the plastometric testing of the grade in question was to determine the boundary conditions for forming of this steel. The method of plain strain compression testing using the equipment Gleeble was chosen. During the experiment, the conditions of the forming of the first draughts on the continuous wire mill of Třinecké železárny, joint-stock company, and, most importantly, the rolling in the final block, was simulated. The results of the strain curves during interrupted testing and temperature increments during the strain were obtained, and the cooling conditions at Stelmor conveyer were simulated. The work also includes the basic results of metalographic examinations of the samples for the plastometric simulation. 1. ÚVOD V období, kdy jde výrazně dopředu moderní technologie, ať už v podobě s klasickými či modifikovanými materiály s vyššími užitnými vlastnostmi, nebo s materiály zcela novými a netradičními a ruku v ruce s tím jdoucí převratné technologie se zcela odlišnými technologickými parametry, je nezbytná, pro dosažení spolehlivosti výroby a konečné kvality,

2 důsledná znalost fyzikální podstaty materiálů. Rovněž tak snížení nákladů ve výrobě a vyšší efektivnosti lze dnes dosáhnout zásadně jen novými postupy. V případě tváření výrobků a následného svařování při vytváření konstrukcí jsou vlastnosti principielně závislé na mikrostruktuře a ta na podmínkách tváření [1]. 2. PLASTOMETRICKÉ ZKOUŠENÍ Při zkoumání plasticity, tvařitelnosti a svařitelnosti materiálů je nezbytné studium jejich vlastností na simulátorech - plastometrech. V poslední době se ukazuje, že zejména pro zcela exaktní výsledky, získané v široké škále termomechanických podmínek, a pro náš zůsob válcování drátu za vysokých rychlostí, je jedinou známou formou tlaková deformace za podmínek kontrolovaného šíření, vlastně deformace rovinná (plain strain compression testing). V této oblasti jsou k dispozici omezené zkušební přístroje, jedním z na světě nejrozšířenějších je Gleeble od DSI. Gleeble je dynamický zkušební stroj, který může simulovat termomechanické parametry metalurgických pochodů. Umožňuje studium základních vlastností materiálů, měření zcela specifických vlastností hotových výrobků, může simulovat a poskytovat údaje o zatěžování materiálu v průběhu životnosti. V principu se jedná o tlakový (tahový) plastometr [2]. Hlavní aplikace jsou v těchto oblastech: simulace procesů (spojité lití, válcování za tepla, žíhání pásů, tepelné zpracování, prášková metalurgie, protlačování, kontrola tepelně ovlivněné zóny při svařování, difuzní vazba,...) zkoušení (tepelná únava, napěťovo-deformační křivky, plasticita za tepla, mez nulové tvařitelnosti, creepové napětí, křivky ochlazování v IRA diagramech,...) V následujícím jsou uvedeny příklady řešených problémů v zahraničí a vybavenost pracovišť a některé z vybraných praktických aplikací, získaných na Gleeblu: tavení a kontrola tuhnutí uhlíkových a nízkolegovaných ocelí a určení transkrystalického porušení za tepla (H.G.SUZUKI-NSC) materiálová databáze plasticity za tepla, publikovaná v ASM - Metal Handbook bleskové tuhnutí v IRSIDU trhliny na rozích předvalků v TEW fázové transformace, křivka tuhnutí po deformaci za tepla na universitě Graz, CLI termomechanické zpracování (zjemnění zrna a vhodná transformace s ohledem zabránění vzniku martenzitické struktury na kolejnicových ocelích v PAZHIHUA v Indii simulace mnohonásobné tlakové deformace při válcování v institutu NUT v Číně a na Tajvanu základní výzkum napěťovo-deformačních křivek v podobě matematických rovnic deformační chování dvoufázových ocelí při tváření za studena přímo v sídle firmy DSI svařitelnost austenitických ocelí a vztah k tažnosti za tepla v LIPPOLDU trhlina za tepla při tuhnutí austenitických ocelí během svařování v ISRI, Čína a tváření hliníku za tepla v závodě FURUKAWA plasticita za tepla titanu (SUZUKI-NSC) Ve velmi zestručněné formě je hlavní využití pro aplikace válcování za tepla:

3 1. Simulace - tlaková zkouška s rovinnou deformací na plochých vzorcích 35x35x20 mm do konečné deformace až na 4 mm při rychlostech 30, resp. 60 s -1 (což je až 2 m/s). Ohřev a ochlazování, kalení do 100 C/s. 2. Simulace - programovatelná tlaková zkouška s rovinnou deformací na vzorcích 20x15x10 mm s jednotlivými deformacemi h od 0,5 do 8 mm max. Doby prodlevy od 0,018 s do 60 s, počet cyklů 10, rychlost deformace na vzorcích o tloušťce 5 mm až 280 s -1! 3. Simulace válcování drátu za tepla tlakovou zkouškou. Ačkoli to v tomto příspěvku může vyznít jako trochu nepatřičné, uvádíme zde jen skutečně vybrané firmy, které Gleeble vlastní, protože v současnosti se používá cca 170 variant v 35 zemích světa: LeTourneau University, University of Birmingham, Böhler Avesta Sheffield, Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH, IPSCO Tata, Iron & Steel Lockheed Martin Space Systems in Colorado, Dofasco, General Electric Research and Development Center, University of Oulu, Finland, British Steel Laboratories Rocketdyne, University of Alabama at Birmingham, University of British Columbia, California Polytechnic National Steel, Detroit National Steel, Portage University of Science and Technology, Beijing Lehigh University, Los Alamos National Laboratory, Nippon Steel, Edison Welding Institute, Colorado School of Mines, Ohio State University, ALCOA, CANMET, Rensselaer Polytechnic Institute, Carpenter Technology Corporation Je proto velmi dobrým počinem ta skutečnost, že ač ČR tento přístroj nevlastní, pro průmyslovou aplikaci v Třineckých železárnách, a. s. byla využita v tomto případě možnost zkoušení na Gleeble 3800 v Gliwicích a následné výsledky jsou toho dokladem. 3. EXPERIMENT Měření proběhlo 11. dubna 2001 v Gliwicích v Polsku na unikátním měřícím zařízení Gleeble 3800 System. Naměřené data se analyzovala a převáděla do grafické podoby programem Origin 6.1. Tento program je součástí programového vybavení zařízení Gleeble 3800 System a naměřené data jsou s ním plně kompatibilní. U uživatelů (tj. v tomto případě v Třinci a na VŠB-TU) bylo nutno Origin zakoupit a ovládnout. Zkoušeným materiálem byla šroubárenská ocel typu 32CrB4 mikrolegovaná borem s vyšším obsahem manganu, která se používá pro výrobu vysokopevnostních spojovacích součástí [3,4]. V tabulce 1. je uvedeno její orientační chemické složení. Zkušební vzorek měl rozměry mm a zkouška se typově označuje jako plane strain. Tabulka 1. Chemické složení zkoušeného materiálu Chemické složení šroubárenské oceli 32CrB4 [ %] C Mn Si P S Cr B Al Ti max 0.1 max max Požadavkem na prováděné měření bylo simulovat technologii vstupního (čtyři úběry o velikosti skutečné deformace 0,2 při 1000 C a kalení do vody vzorek označený jako 242) resp. termomechanického tváření drátu v bloku na třinecké kontidrátové trati a cílem bylo získat informace o probíhajícím zvyšování deformačních odporů, růstu teploty mezi úběry, a uzdravování Plastometrické zkoušky 1 a 2 termomechnického válcování jednotlivých vzorků se skládaly z několika částí viz jako příklad tab. 2. V první části se vzorek nahřál na teplotu 1000 o C a po krátké výdrži na této teplotě došlo ke dvěma vstupním deformacím. Dále byla

4 snížena teplota vzorku na teplotu 850 o C (zkouška 1, vzorek 240) resp. teplotu 780 o C (zkouška 2, vzorek 241) a opět po krátké prodlevě byly provedeny čtyři hlavní deformace a následovalo řízené stupňovité chlazení na teplotu 300 C. Tabulka 2. Naměřené a vypočtené hodnoty plastometrické zkoušky č.1 Pořadí deformace Plastometrická zkouška č. 1 Vstupní ohřev Teplota ohřevu [ C] Rychlost ohřevu [ C/s] Doba ohřevu před deformacemi [s] Vstupní deformace ε ε Střední hodnota T d ε ε zadaná skutečná napětí [ C] zadaná skutečná [s -1 ] [s -1 ] [MPa] Čas mezi jednotlivými deformacemi [s] Hlavní deformace (20 s + 10 s výdrž na 850 C) Tabulka 2. pokračování. Naměřené a vypočtené hodnoty plastometrické zkoušky č.1 Chlazení po ukončení hlavní deformace Etapa Teplotní rozsah [ C] Doba ochlazování [s] (výdrž) (regulované chlazení vzduchem) Teplota hlavní deformace u plastometrické zkoušky č. 2 byla naopak zvolena tak, aby hlavní deformace proběhla v oblasti metastabilního austenitu, což simulovalo proces termomechanického tváření s konečnými teplotami válcování C. U obou zkoušek se hlavní deformace snažily napodobit finální válcování v hotovním bloku. V poslední části plastometrické zkoušky č.1 a č.2 následovalo konečné sestupné snižování teploty vzorku po jednotlivých krocích, což simulovalo závěrečné tepelné zpracování vyválcovaného drátu při položení drátu na Stelmor dopravník, čímž se na tomto provozním zařízení dotváří konečná mikrostruktura válcovaného drátu. 4. VYHODNOCENÍ EXPERIMENTU 4.1. Plastometrické vyhodnocení Získaná data se dají zhruba shrnout do několika následujících grafů. Na obr. 1. můžeme vidět napěťově deformační diagram provedených zkoušek. Z obrázku je zřejmé, že odezva na vstupní deformace je u teploty deformace T def ( 1000 C ) zcela shodná u obou provedených měření. To dokazuje fakt, že měřící zařízení dokáže přesně opakovat stejný proces se stejným výsledkem. U odezvy na hlavní deformace můžeme vidět, že u T def ( 780 C ) byla hodnota

5 napětí vyšší než u T def ( 850 C ). Průběh křivky T def ( 780 C ) na píku je s určitými nevýraznými poklesy hodnot napětí Napětí(MPa) Td( 850 o C ) Napětí(MPa) Td( 780 o C ) 350 Napětí ( MPa ) ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Deformace Obr. 1. Závislost napětí na deformaci při simulaci tváření na Gleeblu Na obr. 2. je znázorněna závislost střední hodnoty napětí na teplotě deformace při jednotlivých deformacích. Velikost střední hodnoty napětí se získávala integrací jednotlivých napěťově deformačních píků u obou zkoušek. Napětí (MPa) Deformace (0.15) Deformace ( ) Deformace (0.22) Deformace (0.25) Teplota ( o C) Obr. 2. Závislost střední hodnoty napětí na teplotě při jednotlivých deformacích

6 Na obr. 3. jsou znázorněny skutečné hodnoty rychlosti deformace v průběhu obou zkoušek při jednotlivých deformacích. Ve srovnání se zadanou hodnotou deformační rychlosti, které jsou uvedeny v tabulce 2., se hodnoty liší někdy řádově v desítkách, což bylo způsobeno výběrem příliš velkého vzorku. Rychlost deformce (s -1 ) Skutečná rychlost def. Td( 780 o C ) Skutečná rychlost def. Td( 850 o C ) Pořadí deformace Obr. 3. Velikost skutečné hodnoty rychlosti deformace v průběhu jednotlivých deformacích Na uvedeném měřícím zařízení lze velmi přesně zaznamenat skutečnou teplotu v průběhu deformace. Na obr. 4. vidíme jak teplota rostla v průběhu hlavních deformacích oproti zvolené teplotě, viz tabulka 2. Měřením se zjistilo, že u poslední deformace se skutečná teplota T def ( 780 C ) zvýšila asi o 15 C více než u T def ( 850 C ) delta Td (850 o C) delta Td (780 o C) Zvýšení teploty ( o C ) Pořadí deformace Obr. 4. Vliv jednotlivých hlavních deformací na zvýšení teploty během simulace tváření

7 4.2 Mikroskopické vyhodnocení Vzhled jednoho ze vzorků je na obr. 5. Ze vzorků byly připraveny příčné řezy (z označeného čela) a podélné řezy ve středové části. Z většího souboru výsledků vybíráme jako dokument obr. 6, je viditelná smíšená feriticko-perliticko-bainitická struktura [5]. U vzorku č. 242, který byl tvářen podle schematu 1, t. j. kalen po čtyřech úběrech na 1000 C, vznikla martenzitická struktura a velikost zrna dle ČSN byla stupně 8, u kalené hrany bylo zrno o něco větší než u protější, rozdíl ale nedosahoval ani jeden stupeň. Byla měřena také mikrotvrdost na příčných řezech a na obou stranách podélného řezu (vždy 3x) průměrné hodnoty jsou uvedeny v následující tab. 3. : Tabulka 3. Výsledky mikrotvrdosti Hv0,1 Vzorek příčný řez podélný řez čelo podélný řez opačná strana č. ochlazování Obr. 5. Vzhled vzorků po deformaci Obr. 6. (č.1903/2002, vzorek 240, 200x), - podélný řez, mikrostruktura na odvrácené straně, simulace podle schematu Dílčí závěry Zatímco u konečných průchodů při 850 C se následné průběhy napětí ukazují s mírným uzdravením (i přes pauzy mezi deformacemi řádově v 0,01 s), u 780 C se dají grafy napětí shrnout pod jednu obalovou křivku jakoby spojité deformace, což svědčí o minimálním uzdravování a v závěru o možném startu dynamické rekrystalizace. Problematickou otázkou bylo dosažení předepsané rychlosti deformace. Ukázalo se, že zvolené vzorky a nízká teplota neumožňovaly stroji dosáhnout předepsaných hodnot, což se bude v budoucnu řešit vzorky menšího plošného průřezu v oblasti zatěžování. Mimořádně zajímavým a originálním výsledkem je potvrzení růstu teploty mezi za sebou v krátkých intervalech (řádově 0,01 s) probíhajících deformacích. Tento růst činí až 40 C a je při nižší (780 C) dotvářecí teplotě o 15 C větší, než u T def = 850 C. 5. ZÁVĚR Provedený experiment lze hodnotit jako vstupní, na základě zkušeností je připraven mnohem náročnější program včetně dilatometrického měření teplot přeměn. Zatímní výsledky potvrzují to, že lze plastometricky zkoumat opakované deformace s velmi krátkými pauzami mezi úběry a vyhodnocovat křivky napětí-deformace. Potvrdilo se také nezanedbatelné

8 zvýšení teploty v tak po sobě krátkých deformacích. Základní metalografický rozbor potvrdil očekávání; po kalení z 1000 C je struktura martenzitická, po konečných deformacích deformacích s následným řízeným stupňovitým ochlazováním je smíšená feriticko-perlitickobainitická. Rovněž tady nastoupí ( v souvislosti s upraveným návrhem experimentu zejména v oblasti onoho stupňovitého chlazení) podrobnější metalografická analýza se snahou o stanovení mechanických vlastností na základě zjištěné velikosti zrna, tvrdosti, resp. provedených tahových zkoušek na deformovaných vzorcích. Budoucí konkurenceschopnost metalurgie a příbuzných odvětví nemůže spočívat jen v přijímání nových technologií, ale v hlubokém studiu vlastností materiálu na základě simulace procesů, v predikci jejich užitných hodnot a v řízení procesů. Ne náhodou jsou tyto přístroje využívány tam, kde v dané zemi přecházejí na nové technologie. Současný náš vývoz ocelářské produkce může být rychle ukončen při neschopnosti reagovat na změněné požadavky po zcela jiné jakosti. Mnohem horší je však ta skutečnost, že dovoz u oceli (dnes již cca 2 mil. t) je cenově blízký vývozu (cca 3 mil. t). A je asi jen otázkou času, kdy podniky budou nuceny zadávat výzkumnou práci za hranice, což je bohužel, ale zároveň bohudík zatím jako možnost, i předmětem našeho příspěvku. LITERATURA [1] KLIBER, J. Simulation of forming processes by plastometric tests. Transactions of the VSB-Technical University, Metallurgical Series, Vol. 1., 1998, XLIII, paper S. 1-53, ISBN [2] [3] ČMIEL, K., KLIBER, J. Prvé zkušenosti s řízeným válcováním na rekonstruované válcovně drátů v Třineckých železárnách, a. s. In. Mez. Konf. Metal 98, Vítkovive, květen 1998, s , ISBN X. [4] ČMIEL, K., KLIBER, J. Controlled rolling of high carbon wire rod. In. Int. Conference Metal Forming 2000, 2000 Balkema, Rotterdam, Holland, s , ISBN [5] Zkušební protokol, Třinecké železárny, a. s. Jenavert,