PLASTOMETRICKÉ OVĚŘENÍ TERMOMECHANICKÝCH PODMÍNEK TVÁŘENÍ ŠROUBÁRENSKÝCH OCELÍ. Karel Čmiel a Josef Bořuta b Jiří Kliber, Tomáš Kubina c

Transkript

1 PLASTOMETRICKÉ OVĚŘENÍ TERMOMECHANICKÝCH PODMÍNEK TVÁŘENÍ ŠROUBÁRENSKÝCH OCELÍ Karel Čmiel a Josef Bořuta b Jiří Kliber, Tomáš Kubina c a Třinecké železárny, a. s., Průmyslová 1000, Třinec Staré Město, ČR b VÍTKOVICE Výzkum a vývoj, spol s.r.o., Pohraniční 20, Ostrava - Vítkovice, ČR c VŠB - TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, ČR Abstrakt Řízené válcování a ochlazování drátu v Třineckých železárnách, a.s. je zaměřeno především na nízkouhlíkové hlubokotažené oceli, středně a vysokouhlíkové oceli, ložiskové a pružinové oceli a v neposlední řadě na šroubárenské oceli známé jako CHQ (Cold Heading Quality). Těmto posledním je věnován příspěvek. Obsahuje stručně metodiku zkoušení, založenou na plastometrických krutových zkouškách. Je v něm matematické vyhodnocení a je zaměřen na zkoumání oblasti vzniku dynamické rekrystalizace. Zároveň poskytuje údaje o deformačních odporech v podmínkách tváření. Abstract Control rolling and cooling of wire rod in Třinecké železárny is concentrated above all on low carbon deep-drawing steel, middle and high carbon steel, focal on spring loaded steel and last but not least on screw steel known like CHQ (Cold Heading Quality). This last is presentation benefit. Contain short philosophy checking, based on plastometric torsion tests. There is the mathematical evaluation and is also the sight on investigation areas of dynamic recrystallization rise. At once offer data about deformation resistance in deformation conditions. 1. ÚVOD Tvrdá konkurence přebytku hutního výrobku a tedy i drátu ve světě nutí výrobce neustále inovovat výrobní sortiment a nabízet svým odběratelům výrobky šetřící technologický proces ve druhovýrobě ať už jeho částečným vynecháním, popřípadě zkrácením. Nalezení progresivnějších technických řešení však není možné bez vědecké podpory od základní báze materiálového výzkumu až po simulaci technologického procesu formou počítačů a na laboratorních zařízeních. Současné válcovací tratě umožňují svou vysokou úrovní technologického zařízení dosahovat vyšších užitných vlastností vývalků a výrobků při nižší energetické a materiálové náročnosti. Teplotně řízené tváření oceli vyjadřuje spojení řízení mikrostruktury společně s geometrickými změnami tvářeného materiálu. Z přesně definovaných mikrostrukturních charakteristik materiálů vyplývají mechanicko-technologické vlastnosti vývalků už ve válcovaném stavu. V některých případech mohou být užitné vlastnosti materiálu dokonce lepší než po energeticky nákladném tepelném zpracování [1,2]. Mezi nejmodernějších tratí v Evropě rozhodně patří ve dvou etapách rekonstruovaná třinecká kontidrátová trať (KDT). Tato spojitá vysocerychlostní trať umožňuje řízeně válcovat a ochlazovat drát s přesně definovanou teplotou finálního tváření v hotovním bloku a pokládací teplotou smyček drátu na Stelmor dopravník startující dle požadavků zpomalené nebo zrychlené ochlazování. Vsázkovým materiálem jsou sochory 150 x 150 mm, většinou tvořené plynule odlévanými předlitky, což představuje ekonomicky významný jednožárový ohřev v hutním procesu. 1

2 Řízené válcování a ochlazování drátu na KDT je zaměřeno především na nízkouhlíkové hlubokotažené oceli, středně a vysokouhlíkové oceli, ložiskové a pružinové oceli a v neposlední řadě na šroubárenské oceli známé jako CHQ (Cold Heading Quality). Vybraným značkám z této kategorie je pak věnována detailní pozornost v předkládaném příspěvku. Výsledky a vyhodnocení laboratorních simulací technologického procesu řízeného válcování a ochlazování drátu na KDT Třineckých železáren, a. s., provedených na torzním plastometru SETARAM, slouží k přesnému nastavení a řízení termodynamických podmínek na trati [3-5]. 2. EXPERIMENT 2.1. Zkoušené oceli Pro experiment byly záměrně vybrány 3 oceli CHQ legované B, Cr, Cr+B. Jednalo se o značky oceli 23MnB4, 34Cr4 a 32CrB4. Chemické složení konkrétních taveb je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení experimentálních taveb (hm. %) C Mn Si P S Cu Cr Ni Al celk N Mo V B 1 0,45 0,91 0,09 0,012 0,009 0,09 0,30 0,04 0,031 0,0092 0,005 0,003 0, ,34 0,75 0,10 0,013 0,006 0,10 1,04 0,04 0,030-0,006 0,006 0, ,35 0,75 0,09 0,012 0,008 0,06 0,93 0,03 0,031-0,008 0,003 0, ,32 0,79 0,08 0,011 0,013 0,08 1,12 0,05 0,037 0,0087 0,012 0,008 0, značka oceli 23MnB4(tavba č ), drát φ 12 mm a 9 mm 2 značka oceli 34Cr4 (tavba č ), drát φ 12 mm 3 značka oceli 34Cr4 (tavba č ), sochor 150x150 mm 4 značka oceli 32CrB4(tavba č ), drát φ 12 mm, sochor 150x150 mm 2.2. Torzní plastometr SETARAM Experimentálních prací na torzním plastometru Setaram byly prováděny ve dvou směrech. Klasické přerušované a nepřerušované plastometrické zkoušeky za rozdílných termomechanických podmínek byly provedeny pro určení přirozených deformačních odporů a tvařitelnosti. Toto zkoušení bylo provedeno prostřednictvím spojitých zkoušek kroucením do lomu. Přitom s ohledem na podmínky KDT TŽ, a.s., se zvolil stále stejný typ ohřevu, a to 1000 C s výdrží 2 minuty, s případným poklesem na teploty deformace v oblasti jak normalizačního válcování, tak i termomechanického válcování s jednominutovou výdrží na deformačních teplotách před zahájením spojitého kroucení do lomu. V rámci programu byly kromě teplot deformace (1000 C, 850 C, 800 C a 750 C) měněny rovněž rychlosti kroucení, a to až do možného maxima stroje, tj ot./min. a dále při nižších 200 ot./min. a 20 ot./min. Zkoušené oceli byly ze vzorků z drátu. Použité standardní rozměry zkušebních tyčí po deformačním objemu definovaném rozměry průměru a délky byly 6 x 50 mm [6,7]. Simulace tvářecích podmínek na kontidrátové trati TŽ, a. s. technologií normalizačního (NV) a řízeného - termomechanického válcování (TV) u stejných tří typů jakostí. Anizotermické přerušované zkoušky kroucením (APZ) při klesající teplotě, při zvolených semikonstantních velikostech a rychlostech deformací a mezideformačních přestávek se provádějí za účelem zjištění účinku kumulace postupných deformací na PDO a strukturní stav zkoumaných materiálů včetně stanovení teplotních oblastí deformací ovlivněných strukturních změn. 2

3 3. DISKUZE VÝSLEDKŮ U spojité zkoušky krutem za tepla až do lomu u sledované jakosti 32CrB4, resp. standardní oceli 34Cr4 byly vyhodnoceny výsledky specifikací charakteristik dynamické rekrystalizace a to pomocí jejího počátku, definovaného tzv. napěťovým píkem, který je charakterizován dosažením maxima na křivce napětí-deformace (σ p = Se p ). s využitím tzv. Zener-Hollomonova parametru Z [8], což je teplotně kompenzovaná rychlost deformace e& v s -1 : Q Z = e& exp (1) R T kde Q je aktivační energie v J.mol -1 R je plynová konstanta a R = 8,314 J.mol -1. K -1 T je teplota v K Maximální hodnotu přirozeného deformačního odporu σ p lze určit podle rovnice: Z 1 n 1 σ p = arcsinh (2) α C kde α, n, C jsou materiálové konstanty Intenzitu deformace v píku, resp. kritické deformace počátku dynamické rekrystalizace S ep lze matematicky popsat rovnici, které umožňují extrapolaci plastometricky získávaných hodnot i na jiné rychlosti deformace, nežli byly přímo prozkoušeny torzním plastometrem. S J ep = H Z (3) kde H, J jsou materiálové konstanty získávané na základě vyhodnocení experimentu. Získaná data z provedených spojitých plastometrických zkoušek byla zpracována obvyklým postupem [58] v souladu se systémem rovnic (1 až 3), a to pomocí programu Sigmacon a následně ke zjištění hodnot aktivační energie programem Energy [61]. Vybrané vypočtené konstanty jsou zachyceny v tabulce 2. Tabulka 2. Vypočtené veličiny popisující dynamickou rekrystalizaci vybraných ocelí. ocel Q [J.mol-1] α. n C 34Cr , ,24 2, CrB , ,95 2, Grafické znázornění průběhu deformace do píku a velikosti napětí v píku v závislosti na rychlosti deformace je zachyceno na obr. 1. Při teplotě 1000 C je průběh závislostí stejný pro obě oceli. Při spodní teplotě 750 C je patrné, že hodnota kritické deformace více roste pro ocel 32CrB4. Průběh maximálního píkového napětí v závislosti na rychlosti deformace je však při této teplotě pro obě oceli podobný. Vzhledem k mírně exponenciálně rostoucím píkovým hodnotám deformace u všech zkoumaných ocelí se konstatuje, že ve zkoumané teplotní oblasti nedochází k žádným anomáliím, pokud rovnice pro intenzitu deformace, získaná z experimentálních hodnot je v daném rozsahu platná. Vyšší rychlost deformace pochopitelně posouvá píky k vyšším hodnotám, zatímco vyšší teplota naopak k nižším. Obdobně je to pro píková napětí. 3

4 Obr. 1. Charakteristika polohy maximálního píkového napětí a jeho velikosti v závislosti na deformační rychlosti, aproximováno do oblasti použitelné na kotidrátové trati TŽ. Pozoruhodným se však stává to, že již při velmi nízkých deformacích, např. e = 0,2 a e&= 0.1 a při teplotě 1000 C, což jsou běžné provozní podmínky, dochází ke vzniku dynamické rekrystalizace. Posunutí k nižším teplotám nijak výrazně nezvyšuje potřebné hladiny deformací a lze tedy očekávat nastartování dynamických uzdravovacích procesů. Na druhé straně, protože se zde popisuje zejména válcování drátu za tepla a zajímáme se o koncové úběry v bloku, kde rychlost deformace jistě překračuje 100 s -1, a deformace jsou zase jistě pod 0,5, nedá se tady o vzniku dynamické rekrystalizace prokazatelně hovořit. Nedalo se také prokazatelně zjistit, zda odlišná chemická složení mají nějaký vliv na píkové hodnoty deformace resp. napětí a občasné překmity křivek mohou být spíše způsobeny nepřesnostmi vyjádření píkových hodnot, případně místně odlišnými vlastnostmi jednotlivých zkoušek. Obtížně umíme vysvětlit, proč pouze u jedné oceli a to konkrétně 23 MnB4 dochází po přeměně γ α k poklesu napěťových hodnot, čili ocel se chová tak, jak logicky má. Tento pokles zaznamenáváme jak u vzorku ze sochoru, tak u koncového drátu. U dalších dvou taveb se o poklesu nedá hovořit, částečně to může být způsobeno nižší teplotou přeměny, ale tento vliv zdaleka nemůže být zásadní. Z diagramů přerušovaných zkoušek (obr. 2, 3) se však dalo usoudit na stanovení teplot nulové rekrystalizace, tj. oblastí, kde, ne sice skokově, ale přece, dochází k odchylce hodnot na jednotlivých křivkách napětí-deformace směrem k vyšším hodnotám, než by připadalo spojité zkoušce. V této oblasti dochází k vyššímu zpevnění, což může být právě s teplotou nulové rekrystalizace spojováno. Ukazuje se, že pro ocel 32CrB4 je to asi 890 C, pro ocel 34Cr4 je to pak 870 C a konečně pro ocel 23MnB4 je to cca 860 C. Tyto odchylky nejsou nijak výrazné, navíc byly zjištěny odhadem z jediného grafu a nebyly prověřeny jinou metodou, takže nelze opět dělat žádné definitivní závěry. 4

5 σ [MPa] MnB4 - drát 9 mm 23MnB4 - drát 12 mm 32CrB4 - sochor CrB4 - drát 12 mm 34Cr4 - drát 12 mm 34Cr4 - sochor γ α T d [ C] Obr. 2. Porovnání závislosti středních přirozených deformačních odporů na teplotě přerušované deformace různých CHQ ocelí v oblasti austenitu a ve dvoufázové oblasti po předchozím ohřevu 1200 C/ C/1 4. ZÁVĚR Píkové hodnoty deformace a napětí rostou s rostoucí velikostí rychlosti deformace a s klesající teplotou a jsou matematicky vyjádřeny uvedenými rovnicemi. Při běžných tvářecích teplotách okolo 1000 C a deformačních rychlostech cca 10 s -1 lze očekávat start dynamické rekrystalizace již při deformacích řádově 0,3; zatímco v bloku kontidrátové tratě je vznik dynamické rekrystalizace nepravděpodobný. Ze záznamů přerušovaných zkoušek lze usoudit na teploty nulové rekrystalizace pro všechny oceli v oblasti od 860 do 890 C. 5. LITERATURA [1] ČMIEL. K. Simulace termomechanického válcování na spojité drátotrati. Dizertační práce, červenec 2002, VŠB-TU Ostrava. [2] KLIBER, J. Řízené tváření, Hutnické listy č. 4, 7/2000, s [3] ČMIEL, K., aj. Termomechanické a normalizační válcování drátu na KDT. Zpráva výzkumného úkolu TTÚ-355 úvodní studie, leden 2000, Třinec. [4] WOJTYLA, J., ČMIEL K. II. etapa rekonstrukce a modernizace kontidrátové tratě TŽ, a.s., Hutnické listy, 2000, č , s [5] ČMIEL, K. Zvýšení užitných vlastností válcovaného drátu po rekonstrukci kontidrátové tratě v Třineckých železárnách, a.s., Hutnické listy č. 6/1999. [6] SCHINDLER, I., BOŘUTA, J. Utilization Potentialities of the Torsion Plastometer. Knižní publikace, Poland, Katowice, Silesian University, [7] SCHINDLER, I., BOŘUTA, J. Nové metody studia plastických vlastností ocelí pomocí automatizovaného torzního plastometru. Hutnické aktuality, č. 9, [8] JONAS, J.J., SELLARS, C.M. Thermomechanical Processing. In Metals and Ceramics, The Institute of Materials, Book No. 815: Bidles Ltd, Guilford, Great Britain, 1992, s

6 Obr. 3. Závislost 6

7 7