Miloš Marek a, Ivo Schindler a

STŘEDNÍ DEFORMAČNÍ ODPORY ZA TEPLA A STRUKTUROTVORNÉ PROCESY SLEDOVANÉ VÁLCOVÁNÍM OCELOVÝCH VZORKŮ S ODSTUPŇOVANOU TLOUŠŤKOU Miloš Marek a, Ivo Schindler a a VŠB Technická univerzita Ostrava, Ústav modelování a řízení tvářecích procesů, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, ČR, milos.marek.fmmi@vsb.cz Abstrakt Důležitou roli při konstruování a používání válcovacích, kovacích a jiných zařízení hraje přesná predikce tvářecích sil. Mezi aktuální problémy tváření ocelí za tepla patří znalost deformačních odporů jednotlivých typů tvářených ocelí. V rámci řešení této problematiky byla s využitím laboratorní válcovací trati Tandem vyvinuta metodika umožňující vytvoření jednoduchého modelu středního deformačního odporu konkrétního materiálu za tepla. Bylo zkoumáno hledisko teploty a doby ohřevu vzorku před vlastním válcováním na velikost deformačního odporu. Pro experiment se použily ploché vzorky s odstupňovanou tloušťkou, vyrobené z austenitické CrNi oceli. Kromě měření válcovacích sil tyto vzorky umožnily také další zkoumání metalografickým rozborem. Jeho účelem bylo zjištění rozdílné doby předehřevu vzorku na konečnou mikrostrukturu při různých ochlazovacích podmínkách. Abstract When designing and/or using rolling, forging and other devices, the exact prediction of forming forces plays an important role. Among actual problems of hot forming of steel belongs knowledge of deformation resistance values of individual steels. In the course of this problem solving, a method was developed which enables to obtain a simple model of mean equivalent stress value of factual material during hot forming with utilization of laboratory rolling mill Tandem. Before rolling oneself there was studied the influence of temperature and heating time on the deformation resistance value. Flat specimens with graduated thickness produced from austenitic CrNi steel were tested. Besides measurement of rolling forces, those specimens allowed next investigation by a metallographical analysis. Its aim insisted in detection the influence of different heating time on the final microstructure during different cooling conditions. 1. ÚVOD Prakticky ve všech dostupných literaturách o ohřevu oceli před jejím dalším zpracováním je možné se dozvědět, že s rostoucí teplotou a její dobou výdrže na dané teplotě roste výrazně zrno. Tento jev se zvýrazňuje dále s rostoucím obsahem uhlíku v oceli. Velké a hrubé počáteční zrno je ale z hlediska konečných mechanických vlastností a možnosti dosažení co nejjemnějšího zrna nežádoucí. I v praxi se dnes setkáváme se stavem, kdy je nutno ponechat ohřívaný materiál delší dobu v ohřívacích pecích např. z důvodu výměny válců. Otázkou zůstává zda má tato doba vliv na deformační odpory při tváření. Deformační odpory při tváření lze počítat např. vyvinutou metodou [1]. Tato metoda je založena na válcování plochých vzorků s odstupňovanou tloušťkou, přičemž jsou získávány hodnoty nikoliv okamžitých, ale středních přirozených deformačních odporů (SPDO) σs [MPa]. 2. CÍL PRACÍ Úkolem experimentálních prací bylo především zjistit, jaký je vliv doby setrvání na určené teplotě při ohřevu oceli na deformační odpor při válcování a jeho konečnou mikrostrukturu po tváření dvěma různými režimy ochlazování. Byla použita austenitická CrNi 1

automatová ocel. Pro danou ocel byl již dříve [2] vyvinut matematický model výpočtu středního deformačního odporu pro její daný rozsah tvářecích teplot. 3. EXPERIMENT 3.1 Použitý materiál Byla použita austenitická automatová ocel odlitá ve Třineckých železárnách, a.s., s chemickým složením uvedeným v tab. 1. Tabulka 1. Chemické složení zkoumané austenitické oceli v hm. % C Mn Si S Cr Ni 0,05 1,4 0,4 0,2 18 9 Z daného materiálu byly vyrobeny odstupňované vzorky se čtyřmi stupínky o různé tloušťce (4; 4,6; 5,4; 6,5 mm) a jednotné šířce (25 mm) viz obr. 1. Takto připravené vzorky se již osvědčily v předešlých pracích [1,2], kdy posloužily k vyhodnocení středního přirozeného deformačního odporu. Obr. 1. Počáteční tvar vzorku před válcováním 3.2 Zkoušky válcováním Vzorky byly před vlastním tvářením rozděleny na dvě skupiny. První skupina vzorků měla původní protvářenou strukturu. Vzorky druhé skupiny byly vyžíhány v elektrické odporové peci na teplotě 1250 C po dobu 1 hodiny a následně okamžitě zakaleny do vodní lázně z důvodu zachování dané mikrostruktury. Vzorky z obou skupin byly poté ohřáty v elektrické odporové peci na různé tvářecí teploty a následně se na válcovací stolici A tratě Tandem [3] provedl na vzorcích jeden úběr (průměr válců φ ~ 159 mm, otáčky ~ 150 ot/min). Přitom byly pomocí snímačů zaznamenávány a počítačově zpracovány síly, resp. reálné otáčky válců. Díky odstupňované tloušťce vzorku se získaly při jednom úběru naměřené síly pro čtyři různé deformace ~ 16, 24, 31, 42 %. Dalším cílem experimentu bylo zjištění vlivu ochlazovacích podmínek na konečnou mikrostrukturu. Provedlo se opět jednoúběrové válcování, tentokrát na válcovací stolici K350 v konfiguraci duo (průměr válců φ ~ 140 mm). Z důvodu rozdílu průměru válců oproti Tandemu byly zvoleny otáčky nastavené otáčky ~ 169 ot/min tak, aby byla zaručena stejná rychlost deformace. Jiná válcovací stolice byla použita z důvodu možnosti rychlejšího zakalení a snadnější manipulace se vzorkem. Předehřev probíhal v elektrické odporové peci na teplotu 1000 C s dobou výdrže na teplotě s důvodu rovnoměrného prohřátí vzorku 8 min. Vývalky byly v jednom případě kalené okamžitě do vody a v druhém případě se nechaly před zakalením 10 s ochladit na vzduchu z důvodu zjištění následné změny mikrostruktury takto zpracovaných vzorků. 4. VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ 4.1 Deformační odpor Ze zaznamenaných válcovacích sil a otáček při různých teplotách válcování nebyl vypozorován žádný nezpochybnitelný rozdíl deformačního chování u vzorků s původní strukturou a vzorků vyžíhaných při 1250 C. A to přesto, že vzorky takto vyžíhané měly výrazně hrubozrnnější strukturu (viz další kapitola). Jako příklad porovnání obou skupin 2

vzorků je záznam válcovacích sil a otáček znázorněný na obr. 2. Představuje válcování při teplotě 1000 C a je možno z něho vypozorovat prakticky zanedbatelné rozdíly v naměřených silách. F [kn] 120 100 80 60 40 vzorek tepelně nezpracován vzorek vyžíhaný na 1250 C a následně zakalen do vody teplota válcování 1000 C N 160 155 150 145 140 otáčky [ot/min] 20 F 135 0 130 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 t [s] Obr. 2. Počítačem zaznamenané válcovací síly a otáčky v závislosti na čase a porovnaní vzorku tepelně nezpracovaného a vyžíhaného Z uvedeného vyplývá, že nemá smysl snažit se o zakomponování vlivu velikosti zrna do modelu popisujícího SPDO zkoumaného materiálu. Proto lze pro všechny experimentální podmínky považovat za dostatečně přesný dříve vyvinutý model [1]. Tento matematický model SPDO byl získán z výsledků laboratorního válcování na laboratorní trati Tandem [3]. Vzorky byly ohřívány na teplotu tváření 800 C až 1200 C a jedním průchodem válcovány na stolici A tratě Tandem. Z počítačem zaznamenaných válcovacích sil, otáček válců a naměřených výchozích a konečných rozměrů vzorků se vypočetly u každého vývalku 4 hodnoty SPDO, které odpovídaly konkrétním hodnotám deformace a deformační rychlosti při dané teplotě. Skutečné (logaritmické) výškové deformace e h se pohybovaly v širokém rozmezí 0,07 až 0,57. Deformační rychlost é dosahovala hodnot 6,7 až 105,6 s -1. Poté se pomocí statistického programu Unistat 4.53, který umožňuje zpracovávat metodou nelineární regrese experimentální data do podoby navržené rovnice, vypočítaly konstanty v rovnici (1) určené pro výpočet SPDO [2]: D ( C e ) é exp( G T) B σ s = A eh exp h (1) kde A, B, C, D, G jsou materiálové konstanty, e h je skutečná výšková deformace, T [ C] teplota tváření a é [s -1 ] intenzita rychlosti deformace. Tabulka 2. uvádí jednotlivé konstanty v rovnici (1), vyčíslené pro zkoumanou ocel. Tabulka 2. Vyčíslené hodnoty konstant ve vztahu (1) A B C D G 4912 0,26 0,40 0,03 0,0024 3

METAL 2003 4.2 Strukturní analýzy Metalografický rozbor vzorků byl proveden klasickou mokrou cestou (broušení, leštění a optické pozorování). Vzorky se leptaly elektrolyticky v 10 % kyselině šťavelové. Z metalografického výbrusu vzorku, který byl v původním stavu, a vzorku vyžíhaného při 1250 C / 1 hod lze vypozorovat až 8 násobné zvětšení austenitického zrna viz obr. 3. Původní struktura vykazovala rovnoměrnější a uspořádanější mikrostrukturu s velikostí zrna okolo 30 µm oproti asi 210 µm u vyžíhané struktury. a) původní struktura b) struktura žíhaná 1250 C / 1 hod Obr. 3. Porovnání původní a vyžíhané mikrostruktury vzorků a) eh= 0,17 (původní struktura) b) eh= 0,17 (vyžíhaná výchozí struktura) c) eh= 0,55 (původní struktura) d) eh= 0,55 (vyžíhaná výchozí struktura) Obr. 4. Porovnání mikrostruktur vzorků s různou výchozí strukturou, válcovaných při teplotě 1000 C a následně ihned zakalených (povrch vzorků) 4

METAL 2003 Další metalografické zkoumání mělo za cíl porovnat strukturu oceli s různou velikostí deformace, a to při různém způsobu chlazení vzorků. Mikrostruktura byla zkoumána na podélném řezu ve směru válcování vedeném v polovině vzorku přes jeho tloušťku. Na všech válcovaných vzorcích byla viditelná deformační textura s protažením zrn ve směru válcování, která byla se zvětšující se deformací zřetelnější. Rozdíl mezi vyválcovanými vzorky s původním zrnem a s vyžíhanou výchozí strukturou po válcování jedním úběrem a následným okamžitým zakalením do vody je možné pozorovat z fotografií mikrostruktur na obr. 4. a) eh = 0,17 (původní struktura) b) eh = 0,17 (vyžíhaná výchozí struktura) c) eh = 0,55 (původní struktura) d) eh = 0,55 (vyžíhaná výchozí struktura) Obr. 5. Porovnání mikrostruktur vzorků s různou výchozí strukturou, válcovaných při teplotě 1000 C a následně zakalených po 10 s volném chlazení na vzduchu (středová oblast vzorků) Jak je možno vypozorovat z mikrostruktur na obr. 4. (kalení ihned po válcování do vody), mělo předešlé dlouhodobé a vysokoteplotní žíhání významný vliv na nárůst zrna, které se nepodařilo eliminovat ani tvářením. Dále je viditelný rozdíl mezi největší (eh=0,55) a nejmenší (eh=0,17) skutečnou deformací, a to zejména v prodloužení zrn. Tyto samé rozdíly je možno pozorovat i u vzorků, které byly nejprve ponechány volně chladnout na vzduchu po dobu 10 s a teprve následně byly zakaleny do vody (obr. 5). Nicméně v tomto případě je nutno si povšimnout nerovnoměrné velikosti zrn viz obr. 5 a), které jsou pravděpodobně zapříčiněny postupným průběhem statické rekrystalizace a nízkou deformací. 5

Obr. 6. Vzorek válcovaný při 1000 C, e h =0,55; následně zakalený po 10 s volném chlazení na vzduchu (středová oblast) Na fotografiích mikrostruktur vzorků zakalených až po 10 s a původně vyžíhaných lze pozorovat ve velkých nepravidelných zrnech dvojčatění, zejména na vzorcích s malou deformací. Naopak jako např. na obr. 6. je u vzorku kaleného po 10 s po největší deformaci e h =0,55 možno vidět zárodky nových zrn na hranicích původních velkých zrn. Vzhledem k době zakalení po tváření lze předpokládat, že se jedná o počáteční stadium statické rekrystalizace. ZÁVĚRY Použití odstupňovaných vzorků vede k možnosti efektivně studovat nejen deformační odpory, ale také strukturotvorné procesy např. pomocí optické mikroskopie. Výhodou přitom je, že při jednom průchodu jsou (v našem případě) získané čtyři různé deformace. Při metalografickém rozboru u vzorku ohřívaného po dobu 1 hod při 1250 C bylo pozorováno výrazné zhrubnutí zrna, a to až na osminásobek oproti zrnu původnímu. Tento jev je srovnatelný s výsledky práce [4]. Předehřev oceli po dobu 1 hod a setrvání na teplotě 1250 C měl tedy značný vliv na nárůst velikosti austenitického zrna. Jak vyplynulo z měření válcovacích sil, tento rozdíl ve výchozí struktuře se prakticky neprojevil na deformačním odporu. Proto není nutné zahrnout původní velikost zrna (alespoň u zkoumané austenitické automatové oceli) do jednoduchého modelu popisujícího SPDO za tepla. Daným postupem jednoúběrového experimentálního válcování nebylo vlivem omezených rekrystalizačních schopností daného typu materiálu možno eliminovat vliv zhrubnutí výchozí struktury. To by se samozřejmě nepříznivě projevilo na výsledných mechanických vlastnostech. Pro lepší posouzení vlivu předehřevu by bylo vhodné provést následující experimenty na oceli s odlišným obsahem uhlíku, který má u austenitických ocelí na kinetiku rekrystalizace a konečnou velikost zrna při tváření výrazný vliv [5]. Analogické výzkumy jsou plánovány pro případ chromové feritické oceli, podstatně náchylnější k hrubnutí zrna. LITERATURA [1] SCHINDLER, I., MAREK, M., DÄNEMARK, J. Jednoduchý model středních přirozených deformačních odporů, získaný laboratorním válcováním za tepla. Hutnické listy, 2002, roč. 57, č. 6-8, s. 34-37. [2] SCHINDLER, I., aj. Model středních přirozených deformačních odporů odvozený z výsledků laboratorních zkoušek válcováním za tepla. In FORMING 2002. Katowice : Politechnika Śląska, 2002, s. 257-262. [3] http://www.fmmi.vsb.cz/model/ 6

[4] PALMIERE, E., J. aj. Static recrystallization and precipitation during the hot deformation of austenite. In Int. Conf. On Processing Microstructure and Properties of Microalloyed and Other Modern High Strength Low Alloy Steels. Warrendale : Iron & Steel Soc. of AIME, PA, USA., 1992, s. 113-133. [5] COLLISON, D., C., aj. The Effect of Carbon on the Hot Deformation and Recrystalization of Austenite. In Int. Conference on Thermomechanical Processing of Steels & Others Materials THERMEC 97. Warrendale : TMS, 1997 PA, USA, s. 483-489. Experimentální práce byly prováděny v rámci projektu LN00B029 (MŠMT ČR). 7