VLIV 0.3 0.7 % Sn NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI BRAM NÍZKOUHLÍKOVÝCH OCELÍ ZA VYSOKÝCH TEPLOT Antonín Ševčík a Pavol Marek b a ÚMV SAV, Watsonova 47, 043 53 Košice, SR, sevcik@imrnov.saske.sk b VSÚ U. S. Steel Košice, s.r.o., 044 54 Košice, SR, pmarek@usske.sk ABSTRAKT Na plochých výrobcích z kontinuálně odlévaných bram se vyskytují různé povrchové defekty. Jejich vznik často souvisí s povrchovými vadami vzniklými při odlévání ocele a manipulaci s bramami. Při vzniku povrchových defektů na bramách hrají důležitou úlohu mechanické vlastnosti materiálu bram, hlavně plasticita materiálu za vysokých teplot. Mechanické vlastnosti determinují odolnost materiálu vůči různým silovým vlivům na povrch bram při jejich odlévání a následných technologických operacích. V ideálním případě má materiál brám z nízkoulíkových ocelí při tahových zkouškách v austenitické oblasti vysokou, téměř 100% kontrakci. V některých případech ale dochází k poklesu plasticity, který bývá připisován chemickému složení materiálu. Významný vliv na degradaci plastických vlastností mají povrchově aktivní prvky, které sa v ocelích obvykle vyskytují ve stopových obsazích. V příspěvku je popsán vliv extrémně vysokého obsahu Sn, 0,3 0,7 % na mechanické vlastnosti oceli bram za vysokých teplot. Zároveň je popsána sekundární struktura a její vlastnosti. INFLUENCE OF 0.3-0.7 % TIN ADDITION ON THE HIGH TEMPERATURE MECHANICAL PROPERTIES OF LOW CARBON STEEL SLABS Various surface defects are present on the flat products made from continuously cast slabs. Their origin is very often connected with surface quality, generated during steel casting and manipulation with the slabs. Mechanical properties of the slab material, mainly the high temperature plasticity of the material, are playing an important role at the arising of the surface defects on slabs. The mechanical properties determine the material resistance against the influence of various forces affecting the slab surface during casting and during consecutive technological operations. In the ideal case, the material of slabs made of low carbon steels has a very high, almost 100 % reduction of area in tensile strength tests, when measured in the austenite region. But in some cases a drop of plasticity is taking place and this is usually ascribed to the chemical composition of the material. Surface active elements, which are usually present in steels in trace contents, have a very important influence on the degradation of plastic properties of steels. The influence of extremely high content of Sn, in a range of 0.3 0.7 %, on the high temperature mechanical properties of the slab steels is analyzed in the contribution. Also the secondary microstructure and its properties are described. 1. EXPRIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODIKA EXPERIMENTŮ Experimentální materiál pocházel z dvou taveb, kde náhodně došlo k výskytu velmi vysokého obsahu cínu. Tavební analyzy těchto taveb, které jsou v dalším označené jako X a Y byly následující [váhové %]: 1
Ocel X 0,030 C, 0,38 Mn, 1,41 Si, 0,038 P, 0,008 S, 0,715 Sn Ocel Y 0,032 C, 0,39 Mn, 1,37 Si, 0,050 P, 0,009 S, 0,361 Sn Obsah cínu byl upřesňován dalšími lokálními chemickými analyzami, klasickými metodami a AAS. Stanovené obsahy Sn pro ocel X se pohybovaly v rozmezí od 0,682 do 0,830 % a pro ocel Y v rozmezí od 0,356 do do 0,420 %. Rozptyl výsledků analyz cínu může souviset s jeho nerovnoměrným obsahem v oceli [1]. Dále byly realizovány lokální chemické analyzy zaměřené hlavně na As a Sb. Experimentální práce byly realizovány na zařízení, tvořeném trhacím strojem s mechanickým převodem, vysokofrekvenčním generátorem a přístrojem pro regulaci teploty. Teplotně - časové cykly byly řízeny pomocí počítačového programu. Zkoušky byly realizovány na vzorcích kruhového průřezu cca 6 mm, s délkou cca 70 mm. Vzorky byly chráněné trubičkami z křemenného skla. Vzorky byly dále umístněné v křemenné trubce průměrem 20 mm, ve které proudila ochranná atmosféra argonu s malým přídavkem vodíku. Uspořádání zkoušky je zřejmé z obr. 1. Délka procesní zóny, cca 15-20 mm, byla dána výškou induktoru. Rychlost zkoušení byla pro všechny statické tahové zkoušky 0,471.10-3 s -1. Režimy ohřevu sú graficky znázornené na obr. 2. Tyto podmínky používáme z důvodu porovnatelnosti výsledků standardně. Zkoušky se realizují s roztavením procesní zóny, anebo jen s jejím ohřevem. Prezentované výsledky byly dosaženy v režimu ohřevu. Základními parametry měřenými při zkouškách jsou kontrakce Z a pevnost Rm. Obr.1 Uspořádání experimentů Obr. 2 Způsob ohřevu vzorků bez roztavení procesní zóny, T s je teplota zkoušky 2. VÝSLEDKY Průběh kontrakce a ostatních měřených veličin je v závislosti na teplotě graficky znázorněn na následujících obrázcích 3 a 4. Z obrázků je zřejmé, že ocel X s 0.715 % Sn má lepší plasticitu za vysokých teplot než ocel Y s 0.361 % Sn. V obou případech ale nedošlo k zásadní degradaci plasticity. 2
100. 80. Z Rm Ax Z, Ax [%], Rm [MPa] 60. 40. 20. 0.0 800. 1000. 1200. 1400. 1600. temperature [ C] Obr. 3 Vysokoteplotní vlastnosti ocele X s 0,715 % Sn 100. 80. Z Rm Ax Z, Ax [%], Rm [MPa] 60. 40. 20. 0.0 800. 1000. 1200. 1400. 1600. tem perature [ C] Obr. 4 Vysokoteplotní vlastnosti ocele Y s 0,361 % Sn 3
Obr. 5 čárový vzhled lomu Obr. 6 Lom ocele Y, 1000 o C Vlevo, obr. 5 je uveden typický lom v oblasti vysokých kontrakcí, ocel X, 1350 o C. Na rozdíl od běžných ocelí, kde má průmět lomu více méně kruhový tvar, u ocelí X a Y často docházelo k zploštění vzorků a vzniku čárového lomu. V obou případech se jedná o tvárné porušení austenitu. Na obr. 6 je dokumentovaný detail lomu ocele Y při 1000 o C. Lom je tvořený směsí tvárných a interkrystalických prvků porušení. K fraktografickým analýzám lze poznamenat, že pomocí EDX nebyl na interkrystalických lomech zjištěn zvýšený obsah cínu. Na základě předložené dokumentace je možné konstatovat, že přítomnost cínu obecně nevedla k drastickému snížení plasticity. Pokles plasticity při nejvyšších teplotách nastává o cca 50 o C dříve, než u běžných ocelí. Je přitom paradoxní, že plasticita ocele s vyšším obsahem cínu je mnohem lepší, než u ocele Y s přibližně polovičním obsahem Sn. DISKUSE V ideálním případě má materiál brám z nízkoulíkových ocelí při tahových zkouškách v austenitické oblasti vysokou, téměř 100% kontrakci. Snižování plasticity při poklesu teplot k 900 o C je běžný jev, který souvisí s formací proeutektoidního feritu na hranicích austenitických zrn [2, 3]. Ideální průběh plasticity s teplotou lze dokumentovat například na oceli 205 s 0,04 % C, obr. 7. V některých případech ale dochází bez zjevných pŕíčin k poklesu plasticity, která je spojená s výskytem interkrystalického porušení, i u ocelí s obsahy síry řádově v tisícinách % v austenitické oblasti při vyšších teplotách. Tento jev je dokumentovaný například pro ocel KOHAL 200 na obr 8. Degradace plasticity v austenitické oblasti interkrystalickým porušením bývá připisována různým faktorům. Za nižších teplot, směrem k feritu, je to tvorba proeutektoidního feritu na hranicích austenitických zrn, který může být obohacený o jiné fáze. Interpretace snížené plasticity při středních teplotách v austenitické oblasti není jednoznačná. V literatuře se jako příčiny uvádí výskyt různých fází na hranicích zrn a oslabení hranic v důsledku přednostní difuze stopových prvků jako As, Sb, Sn. Při našich analyzach interkrystalických lomů ocelí s obsahem síry řádově v tisícinách % metodikami REM spojené s EDX analýzami a STEM jsme na nich nepozorovali výraznější 4
výskyt fází a přiklonili jsme se k hypotéze o primárním vlivu stopových prvků [4]. Tuto hypotézu ovšem nelze s dostupnou experimentální technikou přímo dokázat. Například se 100. 80. Z Rm Ax Z, Ax [%], Rm [MPa] 60. 40. 20. 0.0 800. 1000. 1200. 1400. 1600. tem perature [ C] Obr. 7 Vysokoteplotní vlastnosti ocele 205 100. 80. Z Rm Z, Ax [%], Rm [MPa] 60. 40. 20. 0.0 800. 1000. 1200. 1400. 1600. tem perature [ C] Obr. 8 Vysokoteplotní vlastnosti ocele KOHAL 200 5
může jednat o velmi tenké oblasti tloušťky několika atomových vrstev a při ochlazování vzorků spojeném s fázovou transformací pravděpodobně dochází k redistribuci prvků, které způsobují interkrystalickou křehkost. Proto jsme pro interpretaci teploty Tx, t.j. teploty snížení plasticity při snižování zkušebních teplot v austenitické oblasti, použili statistický přístup metodou vícenásobné lineární regresní analyzy. K dispozici byl zatím jen omezený počet výsledků, pouze 9 materiálů. Nicméně výsledek byl poměrně dobrý. Teplota snížení plasticity Tx interpretovaná jako Tx = a + b.as + c.c kde a,b, c, jsou konstanty, As je obsah arsenu a C je obsah uhlíku měla velmi dobrou korelaci, r = 0.9462 a odhad standardní odchylky SE = 41,01 o C. Obsah As byl významnější proměnnou než obsah uhlíka. Grafické znázornění experimentálně stanovených a podle uvedené rovnice vypočítaných hodnot je uvedené na obr. 9. Obr. 9 Grafické znázornění experimentálních a predikovaných hodnot teploty Tx Z tohoto pohledu lze vysvětlit aj výše zmíněné konstatování o lepší plasticitě ocele X se zhruba dvojnásobným obsahem cínu, než má ocel Y. Závěrem diskusní části konstatujeme, že vzhledem k složitosti problematiky považujeme tyto výsledky za pracovní, které jsou cenné hlavně z hlediska dalšího zaměření výskumných prací a bude je nutné verifikovat na rozsáhlejším souboru ocelí. ZÁVĚRY V příspěvku byl popsán vliv extrémně vysokého obsahu Sn, 0,3 0,7 % na mechanické vlastnosti materiálu bram za vysokých teplot. Z experimentů vyplynuly následující hlavní závěry: 1. Přítomnost několika desetin % cínu v nízkouhlíkových ocelích má minimální vliv na jejich plasticitu v austenitické oblasti. 2. Primárním faktorem snížení plasticity v austenitické oblasti je pravděpodobně dočasné obohacení hranic zrn o As. 6
LITERATURA [1] LONGAUEROVÁ, M.: Vplyv segregácie cínu na štruktúru a vlastnosti plynule odlievaných brám. Kovové materiály. 1998, roč. 36, č. 2, s. 70-76 [2] STRNADEL. B. aj.: Nové metody hodnocení vztahu mezi mikrostrukturními parametry a mechanickými vlastnostmi konstrukčních materiálů. Hutnické listy, 1999, č.7 8, s.100-105 [3] HRIC, J. aj.: Priebeh prestavby ZPO I vo VSŽ, a.s. KOŠICE a dosiahnuté výsledky. Oceĺové Plechy, 1996, roč. 23 č. 1, s. 38-41 [4] MAREK, P., GABÁNIOVÁ, M., ŠEVČÍK A.: Vysokoteplotné vlastnosti nízkouhlíkových ocelí a možnosti aplikácie poznatkov pri vývoji nových akostí. In: Sborník z konference Ocelové pásy 2001, Rožnov pod Radhoštěm, Společnost OCELOVÉ PÁSY 2001, s. 257 262 7
8