tváření, tepelné zpracování Optimalizace řízeného válcování nové konstrukční oceli se zvláštními užitnými vlastnostmi Prof. Ing. Ivo Schindler, CSc., Doc. Dr. Ing. Jaroslav Sojka, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava- Poruba Ing. Janusz Dänemark, PhD., Ing. Bohuslav Chmel, Ing. Lukáš Pindor, TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Průmyslová 1000, 739 61 Třinec Staré Město,Třinec Ing. Miroslav Legerski, Ing. Marcel Janošec, Ing. Stanislav Rusz, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba V laboratorních podmínkách byly simulovány poměry při teplotně řízeném válcování nově vyvíjené nízkolegované konstrukční oceli typu Mn Cu Cr Ti B. Délkou ochlazovací prodlevy před finálními dvěma úběry byla regulována doválcovací teplota v rozmezí 950 až 715 C. Na mikrostrukturu vývalků měla výrazný vliv rychlost ochlazování z doválcovací teploty a naopak mnohem menší vliv vlastní doválcovací teplota. Nejvyváženější kombinace pevnostních a plastických vlastností lze dosáhnout normalizačním válcováním těsně nad teplotou Ar 3 = 880 C, a to bez ohledu na režim ochlazování. 1. Úvod Problematika požární únosnosti staveb a možnosti její zvyšování se zejména po katastrofě budov WTC dostaly do popředí zájmů výrobců oceli. Bezpečnější řešení ocelových konstrukcí z pohledu zvyšování požární odolnosti a pevnosti oceli za zvýšených teplot má mimořádný význam pro oddálení zhroucení staveb. Díky použití těchto ocelí je možné redukovat nebo úplně eliminovat nutnost pasivní protipožární ochrany staveb, což je však přijatelné pouze po důkladném prozkoumání a zvážení návrhářských podmínek, potenciální intenzity požáru a vysokoteplotní vlastnosti použitého materiálu viz např. [1-3]. Návrh konstrukční oceli se zvláštními užitnými vlastnostmi vychází z několika základních předpokladů, z nichž jedním z klíčových je možnost dodávek ve stavu řízeně (konkrétně normalizačně) válcovaném [4,5]. Problematika vývoje technologie řízeného válcování takovéhoto materiálu byla řešena s využitím laboratorní fyzikální simulace. 2. Cíl prací Úkolem bylo využít navrhnout technologii řízeného válcování nově vyvíjené oceli se zvýšenou protipožární odolností na Univerzální trati Třineckých železáren v Bohumíně. Výzkum založený na laboratorním válcování plochých vzorků vyrobených z průmyslově odlité oceli byl zaměřen především na optimalizaci podmínek teplotního režimu válcování plochých vývalků tloušťky 11 až 15 mm. Během výzkumu bylo nutné dbát na dva základní limity: - daná válcovací trať typu trio není vybavena zařízením pro zrychlené ochlazování vývalků; - klíčovou roli hraje ekonomika výroby, tudíž zvláštní užitné vlastnosti nelze zajišťovat zvýšeným obsahem legujících prvků. Na základě předchozích zkušeností tedy byla průmyslově odlita a v laboratoři zkoumána nízkolegovaná ocel s následujícím chemickým složením: 0,099 C 1,33 Mn 0,092 Si 0,016 P 0,012 S 0,07 Cu 0,76 Cr 0,04 Ni 0,025 Al 0,011 Mo 0,0479 Ti 0,008 V 0,003 Nb 0,0043 B 0,0158 N (hm. %) srovnej s [6]. 3. Teploty fázových přeměn Řezáním a frézováním byla vyrobena sada plochých vzorků tloušťky 6 mm a šířky 27 mm, které byly po ohřevu na teplotu 1160 C ochlazovány průměrnou rychlostí zhruba 8 C/s na zvolenou teplotu tváření a válcovány jedním úběrem na stolici A laboratorní tratě 46
Tandem [7] (nastavená válcovací mezera 3,7 mm, válce Ø 159 mm se otáčely nominální rychlostí 200 min-1). Registrované válcovací síly F [kn] byly vyneseny do grafu v závislosti na teplotě T [ C] (viz obr. 1) a ze získaných trendů výsledné manuálně proložené křivky bylo usuzováno na teploty fázových transformací. Vycházelo se přitom z ověřeného faktu, že výskyt měkčího feritu v převládajícím austenitu se projevuje poklesem deformačních odporů [8,9]. Z grafu lze vyčíst, že přeměna austenitu na ferit probíhala za daných podmínek v teplotním intervalu asi 880 755 C. Obr. 1 Teplotní závislost válcovacích sil vhodná pro určení teplot fázových přeměn Fig. 1 Temperature dependence of the roll forces, suitable for determination of the phase transformations 4. Teplotně řízené laboratorní válcování Z takto Vzorky ofrézované na rozměry příčného průřezu 19 mm (tloušťka) a 30 mm (šířka) byly ohřívány v elektrické odporové peci na teplotu 1250 C a válcovány jednotným úběrovým režimem na konečnou tloušťku 4,9 mm (v průměru). Bylo k tomu využito 6 reverzních průchodů na stolici B laboratorní trati Tandem. Válce o průměru 158 mm se otáčely postupně rostoucími rychlostmi 120 180 min -1, mezi jednotlivými úběry o velikosti relativní výškové deformace 17 22 % byly udržovány pauzy dlouhé vesměs 5 8 s. Výjimkou byla delší pauza před 5. průchodem, vedoucí k dosažení různých doválcovacích teplot ta byla měněna v rozsahu 7 57 s. Celkový stupeň protváření válcováním (asi 3,8) byl samozřejmě nižší než v provozních podmínkách, ale rychlejší chladnutí poměrně malých laboratorních vzorků nedovoluje v tomto případě reverzního válcování na jedné stolici aplikaci většího počtu úběrů. Hotové vývalky chladly volně na vzduchu, nebo zpomaleně to když byly vkládány do druhé odporové pece vyhřáté na 740 C a v ní po dobu 15 minut zpomaleně chladly; po vytažení z pece následovalo volné dochlazení na vzduchu. Povrchová teplota provalku byla průběžně měřena jedním až dvěma optickými pyrometry. Doválcovací teploty T d [ C] se v podstatě odvíjely od délky meziúběrové pauzy po 4. průchodu a činily asi 950 715 C. Pod pojmem doválcovací teplota v tomto případě rozumíme teplotu během posledního průchodu, určenou extrapolací registrovaných závislostí povrchové teploty provalku na době jeho volného ochlazování na vzduchu. Příklady takovýchto závislostí, doplněných časovými průběhy válcovacích sil, uvádí obr. 2. Z něj lze rovněž vysledovat markantní vliv teploty na dosahované válcovací síly. 47
a) válcování bez ochlazovací pauzy teplota měřena jedním pyrometrem a) rolling without the cooling dwell temperature measured by one pyrometer b) válcování s ochlazovací pauzou teplota měřena dvěma pyrometry b) rolling with the cooling dwell temperature measured by two pyrometers Obr. 2 Časové závislosti válcovacích sil a teplot při válcování vybraných vzorků Fig. 2 Time dependences of the roll forces and temperatures during rolling of the selected samples 5. Mechanické vlastnosti Z laboratorních vývalků byly nařezány vždy 3 polotovary pro zkoušku tahem za pokojové teploty. Frézováním z nich byly připraveny ploché vzorky se zachováním původní tloušťky a s jednotnou šířkou 12 48
mm po celé délce vzorku (tedy tyče bez zúžení). Z mechanických vlastností určených tahovými zkouškami byla hodnocena mez kluzu Rp 0.2 [MPa], pevnost Rm [MPa] a prodloužení A 5 [%]. Získané výsledky jsou přehledně dokumentovány grafy na obr. 3, a to v závislosti na doválcovací teplotě T d. Značný rozptyl dat je způsoben především nestejnou mírou zokujení povrchu laboratorních vývalků. Je zřejmé, že na pevnostní vlastnosti zkoumané oceli má doválcovací teplota vliv zejména v oblasti austenitu s klesající teplotou hodnoty meze kluzu i pevnosti rostou. Další trendy pevnostních vlastností již nejsou monotónní po doválcování ve dvoufázové oblasti jsou ovlivněny měnícím se poměrem austenit/ferit, po doválcování ve feritické oblasti pak pravděpodobně rostoucím zpevněním feritu. Zpomalené ochlazování vede k mírnému snížení meze kluzu i pevnosti, a to více po nízkoteplotním doválcování. Plastické vlastnosti jsou více ovlivněny v případě ochlazování na vzduchu se snižující se doválcovací teplotou hodnota A 5 klesá, i když ne zcela monotónně. Poblíž hranic dvoufázové oblasti lze pozorovat lokální maxima tažnosti. Průběh funkce A 5 = f(td) po zpomaleném ochlazování v peci je jednodušší, s plochým píkem v oblasti teplot T d = 810 890 C. Zpomalené ochlazování vede ke snížení tažnosti po doválcování v oblasti austenitu a naopak k mírnému zvýšení tažnosti po nižších teplotách doválcování. Lze konstatovat, že nejvyváženější kombinace pevnostních a plastických vlastností lze dosáhnout doválcováním těsně nad teplotou Ar 3. a) po volném ochlazování na vzduchu a) after the free cooling in the air 49
b) po zpomaleném ochlazování v peci b) after the slowed-down cooling in the furnace Obr. 3 Vliv doválcovací teploty a režimu ochlazování na mechanické vlastnosti laboratorních vývalků (svislými přerušovanými čarami je ohraničena dvoufázová oblast austenit + ferit) Fig. 3 Influence of the finish rolling temperature and the mode of cooling on the mechanical properties of the laboratory rolled stocks (the two-phase region austenite + ferrite is limited by the vertical dashed lines) 6. Mikrostruktura vývalků Pomocí optické mikroskopie byly zkoumány výbrusy zhotovené z laboratorních vývalků rovnoběžně se směrem válcování, a to v polovině šířky. Metalograficky byly hodnoceny oblasti v polovině tloušťky vývalků. Výchozí stav je zobrazen na obr. 4, mikrostruktury vybraných hotových vývalků (tzn. po 6 úběrech a volném nebo zpomaleném ochlazování) jsou dokumentovány fotografiemi na obr. 4-6. Obr. 4 Mikrostruktura výchozího stavu Fig. 4 Microstructure of the initial state 50
a) doválcovací teplota 925 C a) finish rolling temperature 925 C b) doválcovací teplota 715 C b) finish rolling temperature 715 C Obr. 5 Mikrostruktura vzorků ochlazovaných na vzduchu Fig. 5 Microstructure of the samples that were cooled in the air a) doválcovací teplota 925 C a) finish rolling temperature 925 C b) doválcovací teplota 865 C b) finish rolling temperature 865 C c) doválcovací teplota 715 C c) finish rolling temperature 715 C Obr. 6 Mikrostruktura vzorků ochlazovaných zpomaleně v peci Fig. 6 Microstructure of the samples that were slowed-down cooled in the furnace 51
Výchozí stav materiálu je charakterizován vcelku rovnoměrně rozmístěnými rovnoosými zrny feritu a ostrůvky perlitu (obr. 4). Mikrostruktury získané po ochlazování vývalků na vzduchu (obr. 5) jsou tvořeny směsí zákalné fáze (pravděpodobně bainitu), feritu a v menší míře i perlitu. Vliv doválcovací teploty na konečnou strukturu materiálu je v těchto případech dosti malý. Zpomalené ochlazování v peci situaci mění viz obr. 6. Perlitu je ve struktuře málo, rovnoosá zrna feritu i bainitické ostrůvky jsou za srovnatelných podmínek vždy větší než po ochlazování na vzduchu a evidentní je více či méně výrazná řádkovitost struktury. Se snižující se teplotou doválcování mírně klesá velikost výsledného feritického zrna. 7. Shrnutí výsledků Délkou ochlazovací prodlevy před finálními dvěma úběry byla regulována doválcovací teplota nízkolegované oceli typu Mn Cu Cr Ti B v rozmezí 950 až 715 C. Jak napověděly experimenty vedoucí k určení teplot fázových transformací, válcování tedy probíhalo v oblasti austenitické (nad 880 C), feritické (pod 755 C) i dvoufázové. Bylo tak simulováno válcování konvenční, normalizační i termomechanické. Na mikrostrukturu vývalků měla výrazný vliv rychlost ochlazování z doválcovací teploty a naopak mnohem menší vliv vlastní doválcovací teplota. V případě zpomaleného ochlazování vývalků, typickém pro simulované podmínky panující na Univerzální trati TŽ, je třeba počítat s relativně hrubozrnnější a řádkovitější strukturou ve srovnání s volným ochlazováním na vzduchu. Velikost výsledného feritického zrna však lze více ovlivnit doválcovací teplotou (při vysokých teplotách doválcování je zrno hrubší). Na pevnostní vlastnosti zkoumané oceli má doválcovací teplota vliv zejména v oblasti austenitu s klesající teplotou hodnoty meze kluzu i pevnosti rostou. Po doválcování ve dvoufázové oblasti jsou trendy pevnostních vlastností ovlivněny měnícím se poměrem austenit/ferit, po doválcování ve feritické oblasti pak pravděpodobně rostoucím zpevněním feritu. Zpomalené ochlazování vede k mírnému snížení meze kluzu i pevnosti, a to více po nízkoteplotním doválcování. Plastické vlastnosti jsou více ovlivněny v případě ochlazování na vzduchu se snižující se doválcovací teplotou hodnota tažnosti klesá, i když ne zcela monotónně. Poblíž hranic dvoufázové oblasti lze pozorovat lokální maxima tažnosti. Závislost tažnosti na doválcovací teplotě po zpomaleném ochlazování v peci je jednodušší, s plochým píkem pro oblast doválcovacích teplot 810 až 890 C. Zpomalené ochlazování vede ke snížení tažnosti po doválcování v oblasti austenitu a naopak k mírnému zvýšení tažnosti po nižších teplotách doválcování. Nejvyváženější kombinace pevnostních a plastických vlastností lze dosáhnout doválcováním těsně nad zjištěnou teplotou Ar 3, a to bez ohledu na režim ochlazování. Ze získaných výsledků vyplývá, že zkoumanou ocel je nejvhodnější tvářet za daných podmínek normalizačním válcováním. Velmi podobných vlastností strukturních i mechanických lze dosáhnout i velmi sníženými doválcovacími teplotami (tedy v podstatě termomechanickým válcováním), ale za cenu zvýšení deformačních odporů a válcovacích sil nejméně o 15 %. Plastické vlastnosti termomechanicky válcovaného materiálu jsou však citlivější na podmínky ochlazování. Literatura [1] Feuerresistenter Sonderbaustahl FR30. Werkstofblatt. Allgemaine bauaufsichtliche Zulassung, ThyssenKrupp Stahl 2001. [2] SHA, W. et al.: Development of structural steels with fire resistant microstructures. Materials Science and Technology, 18, 2002, č. 3, s. 319-325. [3] YOSHIDA, S. et al.: Fire-resistant steel excellent in hightemperature strength, toughness and reheat embrittlement resistance and process for production of the same. NIPPON STEEL CORPORATION, patent WO2008029583, 2007. [4] TAMURA I. et al.: Thermomechanical Processing of High Strength Low Alloy Steels. Butterworths, London 1988. [5] OKUMURA, T. et al.: Fire-resistant high-strength rolled steel material and method for production thereof. NIPPON STEEL CORPORATION, patent WO2007091725, 2007. [6] KRISHNADEV, M. R. GALIBOIS, A.: Some Aspects of Precipitation of Cu and Niobium Carbide in an Experimental High Strength Steel. Metallurgical Transactions A. 6A, 1975, č. 1, s. 222-224. [7] http://fmmi.vsb.cz/model/ [8] MAREK, M. et al.: Transformation temperatures determined by laboratory hot forming. In: FORMING 2003. Politechnika Śląska Katowice, 2003, s. 105-110. [9] SCHINDLER, I. et al.: Mathematical description of deformation resistance of IF steel including influence of phase transformations. Computer Methods in Materials Science, 2007, 7, č. 1, s. 24-28. Recenze: Prof. Ing. Tibor Kvačkaj, CSc. 52