Tváření, tepelné zpracování Hutnické listy č. 2/2008 tváření, tepelné zpracování Vliv doválcovací teploty a chemického složení na vlastnosti ocelí s obsahem uhlíku 0,5 0,8 % Prof. Ing. Ivo Schindler, CSc., Petr Kawulok, Doc. Ing. Lubomír Čížek, CSc., Ing. Stanislav Rusz, Ing. Marcel Janošec, Ing. Miroslav Legerski, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba, Ing. Karel Milan Čmiel, Ph.D., Třinecké železárny a.s. Úkolem bylo posoudit vliv obsahu uhlíku a doválcovací teploty na strukturní charakteristiky a mechanické vlastnosti tří vybraných typů středně- až vysokouhlíkové oceli, určené pro válcování drátu. K laboratorním experimentům posloužila válcovací trať Tandem v Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů VŠB-TUO. Doválcovací teploty byly zvoleny v rozsahu zhruba 800 900 C. Konečné vlastnosti zkoumaných ocelí jsou výrazně ovlivněny jejich chemickým složením, ale prakticky vůbec nejsou závislé na doválcovací teplotě. Snižování doválcovacích teplot vede u zkoumaných ocelí v podstatě jen k nárůstu energosilových parametrů válcování. Strukturu a mechanické vlastnosti těchto typů materiálu je třeba účinně ovlivňovat podmínkami řízeného ochlazování po válcování. 1. Popis experimentu Úkolem bylo posoudit vliv změny doválcovací teploty na strukturní charakteristiky a mechanické vlastnosti tří vybraných typů středně- až vysokouhlíkové oceli ve spojitosti se zamýšleným normalizačním, resp. termomechanických válcováním na spojité drátové trati (KDT) v Třineckých železárnách a.s. Tyto materiály se používají jako vázací drát pro papírenský průmysl, resp. jako patní lanka do pneumatik. Polotovary s chemickým složením, které uvádí tabulce 1, byly řezáním a frézováním opracovány do podoby plochých vzorků, na nichž byly realizovány laboratorní zkoušky válcováním za tepla. Při nezbytném předběžném stanovení teploty Ar 3 se vycházelo z již dříve ověřeného předpokladu, že fázové složení oceli se projeví na hodnotě válcovacích sil v závislosti na měnící se teplotě [1,2], jsou-li všechny ostatní parametry tváření (deformace, deformační rychlost) víceméně konstantní. celkové válcovací síly F [kn] byly vyneseny do grafů v Tabulka 1. Chemické složení ocelí v hm. % Table 1. Chemical composition of steels in wt. % 0,5 % C 0,7 % C 0,8 % C C 0,536 0,734 0,830 Mn 0,56 0,51 0,51 Si 0,203 0,219 0,204 P 0,009 0,008 0,010 S 0,013 0,012 0,012 Cu 0,03 0,01 0,01 Cr 0,04 0,03 0,03 Ni 0,02 0,01 0,02 Al(c) 0,003 0,002 0,002 Mo 0,007 0,004 0,005 V 0,004 0,003 0,003 Ti 0,0015 0,0012 0,0013 Nb 0,002 0,002 0,002 N 0,0026 0,0023 0,0021 Ceq 0,64 0,83 0,92 Vzorky o tloušťce 6 mm, šířce 25 mm a délce 110 mm byly jednotně ohřáty v elektrické odporové peci na teplotu 1050 C. Následovalo volné chlazení příslušného vzorku na tvářecí teplotu (optickým pyrometrem byla při tom měřena povrchová teplota vzorku) a jeho proválcování jedním úběrem na stolici A laboratorní válcovací trati Tandem [3,4]. Byla nastavena mezera mezi válci 4,0 mm; válce o průměru 158 mm se otáčely nominální rychlostí 200 min -1. Naměřené závislosti na teplotě tváření T [ C] a ze změn jejich 28
Hutnické listy č. 2/2008 Tváření, tepelné zpracování trendů byly určovány teploty fázové přeměny za daných podmínek. Směrnice získaných křivek je mírně ovlivněna větším skokem válců při nejnižších teplotách válcování, ale všeobecné trendy tímto faktorem nejsou překryty. Výsledky jsou dokumentovány křivkami na obr. 1. Z průběhu křivek je zřejmé, že u zkoumaných ocelí lze teplotu přeměny austenitu na ferit, resp. perlit na základě výše popisované techniky odhadnout takto pro ocel s 0,5 % C je to asi 860 C, pro ocel s 0,7 % C asi 775 C, pro ocel s 0,8 % C asi 795 C. Tyto údaje platí pro danou rychlost ochlazování. Další ploché vzorky ze všech tří typů oceli (o tloušťce 10 mm, šířce 30 mm a délce 110 mm) byly jednotně austenitizovány při 1050 C a následně předválcovány dvěma průchody na stolici A tratě Tandem (úběr 20 % pauza pro reverzaci asi 4 s úběr 20 %; rychlost otáčení válců o průměru 159 mm byla vždy 100 min -1 ). Následovalo volné chladnutí vzorku na zvolenou doválcovací teplotu a téměř spojitý dvojúběr za využití obou stolic (stolice A nominální rychlost otáčení válců 250 min -1 ; meziúběrová pauza 0,15 až 0,20 s; stolice B válce o průměru 158 mm se otáčely nominální rychlostí 350 min -1 ). Tento závěrečný dvojúběr o celkové velikosti asi 57 % představoval zvláště za nejnižších teplot zcela mezní momentové možnosti laboratorní tratě Tandem. Výsledná tloušťka vývalku se pohybovala okolo 2,8 mm. Obr. 1 Teplotní závislost válcovacích sil a teploty fázových přeměn Fig. 1 Temperature dependence of the rolling forces and transformation temperatures Obr. 2 Časový průběh teploty a válcovacích sil (měřených na stolici A i B) ocel s 0,8 % C, doválcování při 830 C Fig. 2 Time dependencies of temperature and rolling forces (measured at stand A and B) steel with 0.8 % C, finishing rolling at 830 C Doválcovací teploty byly buď běžné, zvolené jako 850 C, nebo modifikované tak, aby byl experimentálně pokryt celý rozsah technologicky zajímavých teplot zhruba 800 900 C (s respektováním energosilových možností použité laboratorní válcovny). Příklad průběhu celkových válcovacích sil a pyrometrem měřené povrchové teploty rozvalku před jeho doválcováním uvádí obr. 2. Vývalky byly vždy do 2 s po výstupu ze stolice B zakaleny do vody nebo naopak zpomaleně ochlazovány tím způsobem, že byly vloženy do pece vyhřáté na 29
Tváření, tepelné zpracování Hutnické listy č. 2/2008 280 C a zde ponechány po dobu asi 10 minut (poté následovalo volné chladnutí na vzduchu). 2. Metalografické rozbory Z takto získaných vývalků byly nařezány vzorky pro metalografické analýzy, prováděné na podélných svislých řezech rovnoběžných se směrem válcování, a to vždy ve středu tloušťky provalku. Struktury po rychlém ochlazení do vody byly popuštěny a nesmírně obtížně leptány na původní austenitické zrno. Pro srovnání byly provedeny i metalografické analýzy všech ocelí ve výchozím stavu (tzn. před laboratorním válcováním viz obr. 3). Výchozí struktura je u oceli s obsahem uhlíku 0,8 % tvořena výhradně perlitem. Při nižším obsahu uhlíku jsou perlitické bloky lemovány feritickým síťovím výrazně (ocel s 0,5 % C) nebo jen v náznacích (ocel s 0,7 % C). Z výsledků dosažených leptáním na původní zrno lze odvodit, že všechny zkoumané oceli mají sklon k poměrně rychlému průběhu dynamické, resp. metadynamické rekrystalizace za zkoumaných teplotních i rychlostních podmínek válcování. Ve všech takto naleptaných vzorcích byla prokázána úplná rekrystalizace austenitu, tedy i po nejnižších teplotách tváření viz např. snímky na obr. 4. V případě zpomaleného ochlazování v peci (obr. 5 a 6) byla struktura vzorků z oceli s 0,5 % C tvořena směsí perlitu a feritu. Ve srovnání s výchozím stavem bylo rozložení obou fází rovnoměrnější, tzn. že perlitické bloky nebyly lemovány feritickým síťovím. Nebylo možné odhalit žádný evidentní vliv doválcovacích podmínek na charakter výsledné mikrostruktury, zejména co se týče velikosti perlitických bloků. Tento závěr ostatně platí pro všechny zkoumané materiály. Struktura oceli s 0,7 % C byla už tvořena téměř výhradně perlitem, místně bylo možno nalézt malé ostrůvky feritu jejich četnost byla poněkud vyšší při nízkých doválcovacích teplotách (pod 825 C). Prakticky shodné závěry lze učinit v případě oceli s 0,8 % C. 0,5 % C 0,8 % C Obr. 3 Výchozí mikrostruktura dvou ze zkoumaných ocelí Fig. 3 Initial microstructure of two selected steels under investigation 0,5 % C, 850 C 0,8 % C, 800 C Obr. 4 Mikrostruktura vybraných laboratorních vývalků po kalení z doválcovací teploty leptáno na původní austenitické zrno Fig. 4 Microstructure of selected laboratory rolling stocks after quenching from the finishing rolling temperature etched austenitic grains 30
Hutnické listy č. 2/2008 Tváření, tepelné zpracování doválcovací teplota 900 C finishing rolling temperature 900 C doválcovací teplota 800 C finishing rolling temperature 800 C Obr. 5 Mikrostruktura laboratorních vývalků z oceli s 0,5 % C po ochlazování v peci Fig. 5 Microstructure of laboratory rolling stocks from the steel with 0.5 % C after cooling in the furnace 0,7 % C 0,8 % C Obr. 6 Mikrostruktura laboratorních vývalků po ochlazování v peci z doválcovací teploty 800 C Fig. 6 Microstructure of laboratory rolling stocks after cooling in the furnace from the finishing rolling temperature 800 C 3. Mechanické vlastnosti Z každého zpomaleně ochlazovaného laboratorního vývalku byly odebrány 1 2 vzorky pro zkoušení tahem za pokojové teploty a pomocí nich určeny hodnoty meze kluzu R p0,2 [MPa], pevnosti R m [MPa] a tažnosti A 5 [%]. Dosažené výsledky prezentují v závislosti na doválcovací teplotě T f [ C] grafy na obr. 7 9. I při uvažování reálného rozptylu mechanických vlastností laboratorních vývalků z nich jednoznačně vyplývá, že pevnostní ani plastické vlastnosti zkoumaných ocelí za pokojové teploty de facto nezávisí na doválcovacích podmínkách v celém rozsahu aplikovaných teplot T f. Pro jednotlivé materiály zprůměrované hodnoty meze kluzu, pevnosti a tažnosti byly pro názornost vyneseny v závislosti na uhlíkovém ekvivalentu C eq (viz tabulka 1) do grafu na obr. 10. Pevnostní vlastnosti se zvyšují a plastické vlastnosti naopak snižují s rostoucím obsahem uhlíku. 31
Tváření, tepelné zpracování Hutnické listy č. 2/2008 Obr. 7 Mechanické vlastnosti oceli s 0,5 % C v závislosti na doválcovací teplotě Fig. 7 Mechanical properties of the steel with 0.5 % C depending on the finishing rolling temperature Obr. 8 Mechanické vlastnosti oceli s 0,7 % C v závislosti na doválcovací teplotě Fig. 8 Mechanical properties of the steel with 0.7 % C depending on the finishing rolling temperature 32 Obr. 9 Mechanické vlastnosti oceli s 0,8 % C v závislosti na doválcovací teplotě Fig. 9 Mechanical properties of the steel with 0.8 % C depending on the finishing rolling temperature
Hutnické listy č. 2/2008 Tváření, tepelné zpracování Obr. 10 Srovnání průměrných hodnot mechanických vlastností zkoumaných ocelí v závislosti na uhlíkovém ekvivalentu Fig. 10 Comparison of the mean values of mechanical properties of the investigated steels depending on the carbon equivalent 4. Závěr Smyslem práce bylo zhodnotit vliv doválcovací teploty na strukturu a mechanické vlastnosti tří vybraných typů středně- až vysokouhlíkové oceli. Měly být zjednodušeně simulovány podmínky doválcování na KDT v a.s. TŽ. Metalografické analýzy vývalků byly doplněny tahovými zkouškami. Realizované experimenty a analýzy vyústily v jednoznačné poznání, že konečné vlastnosti zkoumaných ocelí jsou výrazně ovlivněny jejich chemickým složením (obsahem uhlíku), ale téměř vůbec nejsou závislé na doválcovací teplotě. Snižování doválcovacích teplot vede víceméně jen k nárůstu energosilových parametrů válcování. Aplikované postupy normalizačního, resp. termomechanického válcování tedy neměly žádný praktický význam. Strukturu a mechanické vlastnosti těchto typů materiálu je třeba účinně ovlivňovat podmínkami řízeného ochlazování z doválcovací teploty [5], nikoli parametry vlastního doválcování drátu. Poděkování Experimentální práce byly realizovány v rámci řešení projektů MSM 6198910015 (MŠMT ČR) a FI-IM2/043 (MPO ČR). Literatura [1] MAREK, M. SCHINDLER, I. et al.: Transformation temperatures determined by laboratory hot forming. In: FORMING 2003. Politechnika Śląska Katowice. Podlesice k/kroczyc 2003, s. 105-110. [2] SCHINDLER, I. et al.: Mathematical description of deformation resistance of IF steel including influence of phase transformations. Computer Methods in Materials Science, 7, 2007, č. 1, s. 24-28. [3] http://fmmi.vsb.cz/model/ [4] SCHINDLER, I. JANOŠEC, M.: Deformation Behaviour and Properties of Selected Metallic Materials. Editoři I. Schindler a E. Hadasik. Publishers of the Silesian University of Technology. Gliwice 2007. 248 s. Chapter 5, Thermomechanical processing of HSLA steels, s. 83-103. [5] JING, YU-AN et al.: Study on rolling process optimization of high carbon steel wire. Journal of University of Science and Technology Beijing (English Edition), 14, 2007, č. 5, s. 431-436. Recenze: Ing.Rudolf Pernis, CSc. ArcelorMittal možná převede brazilskou vysokou pec na dřevěné uhlí Steel Business Briefing 22.2.2008 Brazilský výrobce nerezavějících a speciálních ocelí ArcelorMittal Inox Brasil (dříve Acesita) se bude rozhodovat o realizaci projektu na konverzi jeho vysoké pece č.2, který umožná použití dřevěného uhlí namísto koksu. Společnost se snaží snížit emise CO 2 asi o 500 000 tun ročně. Investice na projekt včetně nákladů na pěstování lesa a zpracování dřeva budou dosáhnou výše 51 mil. USD. Podle místních agentur by to od příštího roku mělo umožnit provozování vysoké pece kompletně na dřevěné uhlí. LZ 33