15. 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Reublic MOŽNOSTI TERMOMECHANICKÉHO VÁLCOVÁNÍ DRÁTU NA SPOJITÉ DRÁTOTRATI V TŘINECKÝCH ŽELEZÁRNÁCH Jiří Kliber a Karel Čmiel b a) Katedra tváření materiálu FMMI, VŠB-TU Ostrava, 708 33 Ostrava-Poruba, ČR, E-mail: jiri.kliber@vsb.cz b) Technologie a výzkum, Třinecké železárny, a.s., Průmyslová 1100, 739 70 Třinec, ČR, karel.cmiel@trz.cz Abstract Proerly defined microstructural characteristics of the material result in the required mechanical and technological roerties of rolled roduct. The theoretical knowledge on thermo-mechanical forming is briefly resented in the aer. The newly reconstructed wire rod mill in Třinec rovides controlled rolling and controlled cooling of the steel. The ossibilities and the first exerience with thermo-mechanical rolling of cold usetting grades, ball bearing and srings steels.. 1. ÚVOD Termomechanické, oříadě normalizační válcování atří mezi moderní metody řízeného válcování zajišťující dosažení mikrostrukturních charakteristik materiálu a z toho vylývajících mechanicko-technologických vlastností už v drátu ve válcovaném stavu. Toto je možné jen od odmínkou finálního válcování za řesně definovaných telot ožadovaných ro tento charakter tváření. Třinecká kontidrátová trať skýtá o etaově rovedené rekonstrukci výborné ředoklady termomechanického zracování drátu. Chladící úsek ve smyčce dvoužílové tratě umožňuje řesně definovat telotu finálního tváření, za blokem instalované chladící skříně ak okládací telotu na Stelmor doravník. Řízené ochlazování drátu na doravníku dokresluje finální vlastnosti materiálu. Jestliže finální válcování drátu v hotovním bloku robíhá ři transformačních telotách mezi A r3 a A r1 v oblasti řeměny γ α, jedná se o termomechanické tváření. V říadě normalizačního válcování robíhá finální tváření v oblasti sta- bilního austenitu, to je běžně 30-50 C nad telotou A r3. Cílem výroby válcovaného drátu je obdržet otimální mikrostrukturu tvářeného materiálu definovanou fázovými odíly a velikostí zrna. K docílení jemného feritického zrna s vysokým odílem feritu a malou velikostí erlitických bloků s nízkou mezilamelární vzdáleností je volena doválcovací telota kolem, oříadě těsně od A r3, kdy je hnací síla k dynamické rekrystalizaci v austenitu největší. Výsledkem je rovněž říznivá homogenita mikrostruktury jak o růřezu drátu, tak i o jeho délce. Jemná a homogenní feriticko erlitická mikrostruktura vzniká také ři normalizačním válcování, řičemž velikost sekundárního zrna závisí na velikosti austenitického zrna, a tím na válcovací telotě. Při normalizačním válcování však oceli s vysokým obsahem Mn (nad 1 %) mají sklony k nežádoucí tvorbě bainitu a martenzitu v segregovaných zónách. - 1 -
15. 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Reublic Řízená a řesně definovaná mikrostruktura materiálu je nositelem mechanických a technologických vlastností válcovaného drátu důležitých ředevším ro jeho další zracovatelnost. Celá technologie a stanovení ostuu řízeného tváření je natolik složitá, že ji nelze osat ani v omezeném rozsahu. V teoretické vstuní části se budeme zabývat jedním dílčím roblémem a to otázkou chování se materiálu v hotovním bloku z ohledu rychlostního a na to navazujícího zůsobu uzdravování. 2. ZENER-HOLLOMONŮV PARAMETR Od rvoočátku tvářecích oerací hluboko do minulosti se ukazuje, že obsluha tvářecích strojů si uvědomovala zejména vztahy na jedné straně teloty a deformace a na druhé straně výsledných vlastností. Literárně je o tomto zmínka [1] z roku 1884, viz článek [2]. Přeskočíme-li více než sto let, do ovědomí se ostuně romítne možný jednoduchý diagram, ze kterého je zřejmé, o co se v říadě řízeného tváření, nebo také termomechanického zracování, jedná, viz diagram 1. [2]. Tabulka 1. Celkové roojení modelů ro řízené tváření Model ro změny struktury, fázové změny, velikost zrna. Materiál Zevňování a odevňování Model ro reciitaci, transformaci. Ohřívací model Úběrový lán Telotní model Válcovací strategie Ochlazovací model Přenos dat Do hry vstuuje velikost deformace ε, velikost rychlosti deformace ε!, telota T, tvářecí čas t t a čas v auzách mezi deformacemi t. Tyto řevážně termomechanické arametry jsou kuodivu oměrně snadno zjistitelné, objektivně rokazatelné a vyskytují se v celé řadě konstitutivních rovnic ro ois zevňování, rekrystalizace, odílu uzdravené struktury a dalších. Parametry struktury, byť zdánlivě též zjistitelné, jako je již chemické složení, velikost zrna a další (mikrostruktura, vměstky, reciitáty, sic!) a další, které od rvoočátku vstuují do rocesu, se mění v závislosti na termomechnických odmínkách tváření a řesné matematické oisy jsou mnohem obtížnější. Nehledě na to, že zatímco simulace rvně uvedených vlivů, ať už lastometrická či očítačová a konečně laboratorní, je - 2 -
15. 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Reublic bez vážnějších roblémů možná, naodobení růběhu strukturních dějů je simulačně mnohem složitější. Soustředíme se nyní jen na jeden arametr a to Zener-Hollomonův ve tvaru Q Z = ε! ex (1) RT který je sice oužíván, ale jeho význam není zcela doceněn. Je to vlastně telotně uravená rychlost deformace. Aktivační energie Q může být buď ro statickou rekrystalizaci, v říadě tváření za tela, zejména s většími rychlostmi deformace a většími úběry, tedy v oblasti dynamických uzdravovacích rocesů se bere aktivační energie dynamické rekrystalizace (dynamického zotavení) Q dyn. (V literatuře se vyskytovaly úvahy o stanovení této hodnoty jako nař. Q dyn = Q + 0, 375Q ). Praktické stanovení této hodnoty je odle našeho názoru možné ouze lastometrickými zkouškami na reálném materiále, i když orientačně se můžeme řídit na říklad starší rací [3] v odobě závislosti na obsahu uhlíku odle rovnice Q dyn =ex( 5,566 0,0502 ln C) (2) To ro běžné uhlíkové oceli vede k rahové hodnotě okolo 10 10 a rotože rychlost deformace se ři válcování drátu za tela ohybuje od 10-1 až do 10 4 s -1, dosahuje v osledních úběrech v bloku hodnot řádově 10 15. Za kriterium očátku dynamické rekrystalizace můžeme brát velikost skutečné (logaritmické) deformace ε 0, 8ε, říadně řesně stanovenou hodnotu ε. Musíme mít v atrnosti to, že strukturně se rvá dynamicky rekrystalizovaná zrna objevují již řed mechanicky zjistitelným íkem. Zjištění této velikosti ε je však, i řes řadu okusů a extraolací, rakticky nemožné. V současnosti existují lastometrické zkoušky, umožňující solehlivou rychlost deformace do řádově 10 2 s -1, i když jen ojediněle a na nákladném a unikátním zařízení. Rozdíl do 10 4 je ro jakoukoli extraolaci velmi diskutabilní. Ukázalo se ale jako možné tuto hodnotu dát do závislosti na Zener-Hollomonově arametru, nebo na odobné závislosti a uvádíme několik vztahů odle [2] v tabulce 2. Tabulka 2. Přehled některých vztahů ro stanovení íkové deformace ro start dynamické rekrystalizace. Sellars a2 a3 ε = a1 Dγ 0 Z Zouhar 1 ε = a ( k ε Z 0 ) Ko 14 0, 15 ε = 0,8.4,9.10 D Z Senuma Walther Kliber [4] ε = 4,76.10 4 1 K (, T ) Z ε =! ε γ 0 8000 ex T 1 a ε = W Z = AZ = A! ε Těchto vztahů je nutno využít ři určování modelu rekrystalizace v hotovním bloku, tj. v tabulce 1. od Materiálem v rámečku zevňování a odevňování. 1 a Z 1 a 3. OCELI URČENÉ K VÝROBĚ SPOJOVACÍCH SOUČÁSTÍ Řízené válcování drátu může být zaměřeno ředevším na zracování materiálů určených k objemovému tváření za studena. - 3 -
15. 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Reublic Konvenční rocesový řetěz výroby sojovacích součástí sočívá v žíhání na měkko válcovaného drátu, následném kalibračním tažení, rotváření za studena a konečném zušlechtění. Ještě dneska je vyráběna největší část rodukce na částech rotvářených za studena touto cestou. Ostatní rocesové řetězy se vyznačují zjednodušením, oříadě odadnutím žíhacích kroků, a tím redukcí výrobních nákladů. Tak vzniká možnost v římém nasazení termomechanicky válcovaného drátu k tažení za úsory žíhání. Další možnost vzniká oužitím mikrolegovaných ocelí nebo dvojfázových ocelí, u nichž oroti klasicky zušlechťovaným ocelím je možno se zříci konečného zušlechtění. Jedna z cest řešení válcování, které je blízké konečným rozměrům (výborná tolerance drátu) s následným ochlazením svitku drátu od termo-okloem. Takto může být uuštěno od žíhání a kalibračního tažení válcovaného drátu. Metody zracování rostřednictvím regulace teloty ro dlouhé výrobky se rozlišují odle růběhu telota - čas, který je transformován rocesem rotváření do termomechanického válcování v oblasti metastabilního austenitu s konečnými telotami válcování 750-900 C a do normalizačního válcování v oblasti stabilního austenitu s konečnými telotami válcování 800-1000 C. V závislosti na dané konečné válcovací telotě a řízeném ochlazování může být ro výrobní rogram rovedeno následující členění: řízené válcování k dosažení vhodné výstuní struktury ro následné teelné zracování termomechanické válcování k nastavení ožadovaných mechanicko-technologických vlastností římým rocesem bez teelného zracování řízené válcování alternativních ocelových jakostí (mikrolegované, dvojfázové) bez konečného zušlechtění. 4. DOSAŽENÍ VHODNÉ VÝSTUPNÍ STRUKTURY PRO NÁSLEDUJÍCÍ TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ Cílem válcovaného drátu je obdržet otimalizací výstuní struktury válcovaného materiálu vysoký stueň řekrystalizace na naměkko žíhaném drátě. Přitom hrají důležitou roli také hosodářské asekty, oněvadž může být ři odovídajícím vedení rocesu vždy odle kvality a rozměru redukována doba žíhání. Důležitými arametry z hlediska válcování je doválcovací telota a ochlazovací arametr o válcování. Rostoucí výrobou vysocejakostních sojovacích rvků v Evroě dochází k osunutí výroby ve směru k legovaným ocelím ěchovaným za studena, které musí být většinou nasazeny k dalšímu zracování většinou v žíhaném stavu. Srávně vedeným rocesem řízeného válcování a ochlazování drátu je možno ušetřit jednu třetinu až jednu čtvrtinu doby žíhání a tedy i značné ekonomické náklady. 5. TERMOMECHANICKÉ VÁLCOVÁNÍ VEDOUCÍ K DOSAŽENÍ DANÝCH VLASTNOSTÍ Oceli tvařitelné za studena tyu 37Cr4 a 42CrMo4 mají otenciál oklesu evnosti rostřednictvím termomechanického válcování. Zatímco u 37Cr4 kruhového rozměru 18,25 mm o normalizačním válcování s doválcovacími telotami kolem 985 C je evnost válcovaného drátu okolo 800 MPa, ak o termomechanickém válcování v oblasti metastabilního austenitu s doválcovacími telotami kolem 700 C klesá evnost o 220 MPa na 680 MPa; zároveň stouá kontrakce z 58 % na 62 % [ 5 ]. - 4 -
15. 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Reublic Při studiu mikrostruktur lze výrazně rozoznat o termomechanickém válcování o 30 % vyšší odíl feritu a jemnější globulární zrno; zrno se zjemňuje odle ASTM ze 7,5-8,5 o normalizačním válcování na 9,5-10 o termomechanickém válcování. Také o žíhání na měkko vykazuje termomechanicky válcovaný drát řibližně o 50 MPa nižší žíhanou evnost ři současně zlešené kontrakci. U 42CrMo4 kruhového rozměru 18,25 mm může oklesnout evnost z 900 MPa u doválcovacích telot kolem 990 C o 210 MPa na 790 MPa u doválcovacích telot kolem 740 C. Dosažitelný okles evnosti je řitom závislý na transformačním chování dané oceli. Nízké doválcovací teloty zůsobují urychlenou difuzně řízenou tvorbou zárodků feritu a erlitu rozšíření této fázové oblasti v ARA diagramu a osunutí řeměny ke kratším časům. Tímto může být otlačena tvorba bainitu. Při následném ochlazení od termo okloem je evnost válcovaného drátu u 42CrMo4 snížena o dalších 70 MPa na 720 MPa. Současně se vyskytuje zlešení kontrakce, která má souvislost s jemnou olyedrickou velikostí zrna a rostoucím obsahem feritu a erlitu oroti rozsáhlé bainitické struktuře o normalizačním válcování. Při určování vstuních náběhových telot do hotovního bloku musí být usilováno o komromis mezi okud možno nízkými doválcovacími telotami a vysokou válcovací rychlostí. V hotovním bloku se oužívá ouze 2 až 6 stolic, takže je zabráněno říliš silnému znovuohřátí válcovaného materiálu. 6. MIKROLEGOVANÉ OCELI Pro výrobu vysokoevnostních sojovacích součástí byly vyvinuty a běžně se oužívají oceli mikrolegované borem s vyšším obsahem manganu, oříadě ještě dolegovány chromem. Jedná se o značky oceli 19MnB4, 23MnB4 a 32CrB4. Posledně jmenovaná má velký význam ředevším ro výrobu vyšších růměrů drátu 13 až 18 mm a cílenou evnostní třídu výrobku 10.9 a 12.9. Zracování drátu bez vstuního žíhání na měkko je omezeno evnostní hladinou 700 MPa. Tu je možno běžně odkročit ouze alikací termomechanického válcování. 7. LOŽISKOVÉ OCELI Ložiskové oceli, jejichž základní značkou oceli je 100Cr6, získávají stále větší význam v růmyslové výrobě. Nejsou vhodné ke zracování bez ředchozího žíhání na měkko. Rozdíly v evnostních charakteristikách drátu ve válcovaném stavu nejsou u této oceli rozhodující. Důležité je, aby struktura byla rovnoměrná bez cementitického síťoví o hranicích zrn. Ochlazením drátu řed finálními úběry v hotovním bloku na telotu v rozmezí 860 780 C se otlačí vyloučení síťoví karbidů, o výstuu z hotovního bloku se dooručuje zrychlené ochlazení na cca 750 C s následným zomaleným ochlazováním od izolovanými kryty. Výsledkem je jemnozrnná erlitická mikrostruktura s diserzně rozloženými globulitickými karbidy. Takováto struktura se rychleji sferoidizuje, a roto může dojít ke zkrácení času otřebného k žíhání drátu na GKZ cca o 15 30 %. 8. PRUŽINOVÉ OCELI Při tváření ružinových ocelí legovaných Si a Cr (55SiCr) a Cr a V (50CrV4) v oblasti transformačních telot v hotovním bloku a následném zomaleném ochlazování na Stelmor doravníku dochází k tvorbě jemnozrnné feriticko-erlitické mikrostruktury. Rozdílná velikost zrna v ovrchové oblasti jemnozrnná a o růřezu drátu o stueň hrubší - 5 -
15. 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Reublic zrno je nositelem zvýšených užitných vlastností za studena vinutých ružin. Jedná se ředevším o houževnatost a únavové vlastnosti. Srávně volené (vyvinuté) termomechanické válcování ocelí zvyšuje užitné vlastnosti rovalků, a tím bezesoru zvedá jejich tržní hodnotu. Zkvalitnění mechanických vlastností (nař. snížení evnosti a zvýšení kontrakce řinášející zvýšení houževnatosti materiálu) a řízení mikrostruktury (jednotlivé fáze, velikost zrna) dává ředoklad snížení zracovacích nákladů u odběratelů, to znamená umožní zjednodušení (vynechání) technologické cesty, oříadě její zkrácení. 9. ZÁVĚR [1] SATTMANN, A. Stahl und Eisen. 1884, 4, s. 220-227. [2] LEHNERT, W. Kontrollierte Warmumformung und gesteuerte Abkühlung ausgewählter Drahtsortimente. Neue Hütte. 1987, 32, (11) s. 412-417. [3] KOKADO, J, aj. Steel research. 1985, roč. 56, č. 12., s.619-624. [4] KLIBER, J. Simulation of forming rocesses by lastometric tests. Sborník vědeckých rací VŠB-TU Ostrava. 1997,roč. XLII, č. 1., řada hutnická, s. 1-57. [5] BALL, J., CLEMENS, J.. Prozeßverkürzung durch Einsarung von Wärmebehandlungen bei Herstellung von Draht und Stab, Stahl und Eisen, 117, 1997. - 6 -