METAL 2004
Hradec nad Moravicí
SLEDOVÁNÍ STRUKTURNÍCH CHARAKTERISTIK A VLASTNOSTÍ VÁLCOVANÝCH VÝROBKU Z UHLÍKOVÝCH A MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ V SOUVISLOSTI S VLASTNOSTMI PRIMÁRNÍCH KONTISLITKU MONITORING THE STRUCTURE CHARACTERISTIC AND PROPERTIES OF MICROALLOYED CARBON STEEL ROLLED PRODUCTS IN RELATIONSHIP ON CONTINUOUS CASTED BILLETS Horník, J. 1 – Zuna, P. 1 – Hnilica, F. 1 – Rehoušek, M.1 – Moráfková, A. 2 – Vašek, Z. 2 1
CVUT Praha, Fakulta strojní, ústav materiálového inženýrství 2 ISPAT NOVÁ HUT a.s., Ostrava - Kuncice
Abstrakt V práci je hodnocen finální stav vývalku tycoviny Ø 65 mm vyrobených z kontislitku uhlíkových a mikrolegovaných ocelí. Sledovány jsou strukturní charakteristiky a finální vlastnosti vývalku a jejich ovlivnení puvodními vlastnostmi kontislitku a následnými ohrevy. Byl prokázán príznivý vliv mikrolegury Nb na zjemnení zrna. The final structure of the hot rolled products (Ø 65 mm rod) made from continuous casted carbon and microalloyed steel is monitored. The influence of the continuous casted billets properties and their reheating before rolling at the final structure and properties of rolled products is evaluated. The grain refinement in Nb microalloyed steel was evaluated. 1.
ÚVOD V návaznosti na práce [1 – ?] zabývající se hodnocením kontislitku a následne jejich reohrevu jsou v príspevku sledovány strukturní charakteristiky a vlastnosti finálního válcovaného produktu. Hodnoceny byly vývalky konstrukcních uhlíkových ocelí, jejichž chemické složení se liší vobsahu mikrolegury Nb. Souhrnne je hodnocen stav litý, stav po reohrevech na válcovací teplotu a stav tvárený. 2.
MATERIÁL A METODY ZKOUŠEK Sledované tavby ocelí typu S355 ve dvou variantách chemického složení (tab. 1.) byly vyrobeny v ISPAT Nová Hut a.s kontilitím rychlostí 2,1 m.min-1 .
Tabulka 1. Chemické složení vzorku (hm. %) Vzorek A B
c. tavby 50921 58531
C [%] 0.180 0.160
Mn [%] 1.380 1.310
Si [%] 0.199 0.214
Nb [%] 0.010 0.030
Al celk [%] Al kov [%] 0.020 0.017 0.025 0.021
Table 1. Chemical composition of samples (weight per cent) Po ochlazení byly sochory prurezu 180 x 180 mm ohrívány na teplotu 1150-1200 °C po dobu 3-4 hodin, po dosažení požadované teploty a výdrži cca 20 min bylo provedeno válcování na 1
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
stredojemné válcovací trati (ISPAT Nová Hut a.s.). Pro podrobné hodnocení vývalku byla zvolena kruhová tyc Ø65 mm. Válcování probíhalo deseti úbery, výstupní rychlost byla 5,2 m.s-1 a teplota tyce na konci trate 980 °C. Z prírezu tyce byly odebrány vzorky pro metalografickou analýzu ve smeru kolmém a rovnobežném k ose vývalku (obr. 1.). Pro orientacní rekonstrukci primární struktury byl na vybrané vzorky aplikován ohrev na teplotu 980 °C, výdrž 5 min a ochlazení do vody. Odber a príprava dalších srovnávaných vzorku (stav litý, žíhaný) je podrobne popsán v [?]. Ohrevy na válcovací teplotu byly reprezentovány na žíháním sad dvojic vzorku na teplotách 1100, 1200 a 1230 °C po dobu 1,5 a 6 h s ochlazováním vpeci (jeden z dvojice) a ve vode (20 °C) pro vyvolání austenitického zrna (druhý Obr. 1. Schéma odberu vzorku z tyce Ø65 mm z dvojice). Pro omezení možnosti Fig. 1. Scheme of sampling from rod Ø65 mm oduhlicení povrchu byly vzorky ošetreny vrstvou kalsenu. Strukturní analýza byla provádena na optickém mikroskopu NEOPHOT 32; vzorky byly leptány 2 % NITALEM. Primární zrno bylo vyvoláno leptadlem na bázi kys. pikrové. Studium precipitátu bylo provádeno na kolódiových replikách stínovaných chrómem a uhlíkových replikách v transmisním elektronovém mikroskopu Jeol JEM-2000 EX. K overení prítomnosti Nb bylo využito vlnove disperzního mikroanalyzátoru CAVEX (WDS) a energiove disperzního analyzátoru LINK AN 10/85S (EDS) ve spojení s rádkovacím elektronovým mikroskopem Jeol JSM 5410. Tvrdost a mikrotvrdost byla zjištována na zarízeních LECO metodou dle Vickerse pri zatížení 0,49 N resp 30 N. 3. VÝSLEDKY ZKOUŠEK A JEJICH DISKUSE 3.1 Struktura a velikost zrna Výrazný vliv mikrolegury 0,03 % Nb na strukturu je patrný již v litém stavu. Struktura uhlíkové oceli je v kontislitku tvorena feritem a perlitem. Ferit je vyloucen na hranicích puvodních austenitických zrn prevážne v polyedrické forme, místy lze pozorovat jehlice Widmannstättenova charakteru. Uvnitr primárních zrn se perlitem obklopený ferit vyskytuje v acikulární podobe (obr. 2.). Struktura oceli mikrolegované (obr. 3.) je tvorena feritem
Obr 2. Uhlíková ocel – litý stav (sv. mikr.) Fig. 2. Carbon steel – cast state (opt. micr.)
Obr 3. Mikrolegovaná ocel – litý stav Fig. 3. Microalloyed steel – cast state 2
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
vylouceným prevážne v polyedrické podobe po hranicích puvodních zrn austenitu. Uvnitr primárních zrn je ferit rozložen v perlitické matrici, má acikulární tvar lokálne precházející až do bainitické formy. Transmisní elektronovou mikroskopií nebyla prokázána precipitace NbC resp. Nb(C,N) ve feritických zrnech mikrolegované oceli [1]. Ojedinele byly pozorovány cástice obsahující Nb ve shlucích perlitického cementitu, což potvrdila i WDS analýza. Vzorky reohrívané mají již polyedrické zrno, po pomalém ochlazení strukturu feritickoperlitickou, místy s náznaky Widmannstättenovy morfologie feritu, zvlášte u uhlíkových ocelí. U vzorku ochlazovaných ve vode je struktura martensiticko-bainitická. Velikost zrna primárního i sekundárního je oproti litému stavu výrazne nižší u obou typu ocelí. Velikost primárního zrna žíhaných vzorku se ve srovnání s litým stavem rádove snížila [1]. Mikrolegovaná ocel má výrazne menší primární zrno oproti oceli uhlíkové (obr.4.). dm [mm]
0,30
0,263
0,20
0,188
0,172
0,121
0,113 0,059
B (C-Mn-Nb)
0,171
0,15 0,10
A (C-Mn)
0,227
0,25
0,124
0,063
0,062 0,027
0,05 0,00 1100°C/1.5h
1100°C/6h
1200°C/1.5h
1200°C/6h
1230°C/1.5h
1230°C/6h
Rolled
Obr.4. Velikost primárního zrna (stavy žíhané a válcovaný) Fig. 4. Primary grainsize (annealed and rolled states) Z obrázku 4. je patrný vliv teploty a casu žíhání na velikost primárního zrna. U mikrolegovaného vzorku bylo pozorováno jemnejší zrno vcelém intervalu teplot a casu, výraznejší hrubnutí zrna bylo zjišteno až pri nejvyšší teplote a nejdelším case žíhání. Vzorky z techto ocelí vykazují v souladu s velikostí zrna primárního jemnejší sekundární strukturu oproti ocelím uhlíkovým, místy s oblastmi velmi jemného perlitu. (obr 5a,b.)U ocelí mikrolegovaných se sporadicky objevují ostruvky bainitu.
a)
b)
Obr. 5. Mikrostruktura požíhání 1150 °C / 1,5 h / pec: a) uhlíková ocel, b) mikrolegovaná oc. Fig. 5. Microstructure after annealing 1150 °C / 1,5 h / furnace (optical microscopy): a) carbon steel, b) microalloyed steel Studium mikrostruktury metodou TEM neprokázalo v žíháném stavu vyloucení precipitátu ve forme NbC resp. Nb(C,N) voblastech feritu. Precipitáty tohoto typu byly pozorovány na
3
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
nekterých hranicích zrn ferit – ferit a ferit – perlit. Na vzorkách ochlazených do vody byly precipitáty obsahující Nb sporadicky vylouceny na hranicích puvodních austenitických zrn nebo mezi ruzne orientovanými oblastmi martenzitických latek uvnitr techto zrn. Tyto závery souhlasí s kontrolní WDS analýzou.[2] Struktura obou variant ocelí ve válcovaném stavu je feriticko-perlitická s polyedrickým zrnem. V podélném smeru byla zjištena výrazná rádkovitost perlitu. Souvislé rádky byly pozorovány u oceli uhlíkové (obr. 6a). U mikrolegované oceli nejsou rádky kontinuální, jsou
a) b) Obr. 6. Struktura válcované tyce (nahore - osa vývalku, dole – povrch) a) uhlíková ocel, b) mikrolegovaná ocel Fig. 6. Structure of rolled rod Ø 65 mm (overhead – axis of rod, below – surface of rod) a) carbon steel, b) microalloyed steel širší, místy je perlit rovnomerne rozložen, zrno feritu i perlitu je jemnejší. V perlitických shlucích se vyskytují oblasti s velmi jemným zrnem (obr. 6b.). Smerem ke stredu vývalku perlitu ubývá, velikost sekundárního zrna mírne narustá. Mikrolegovaná ocel má ve všech 4
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
prípadech strukturu jemnejší než ocel uhlíková. Na prícném rezu je patrný rozdíl v rozložení perlitu. Zatímco v uhlíkové oceli je usporádán prevážne do rádku, u oceli mikrolegované je rozložen rovnomerneji, místy ve shlucích, precházejících v náznaky sítoví podél puvodního austenitického zrna (obr. 7.).
a)
b)
Obr. 7. Struktura válcované tyce – prícný rez: a) uhlíková ocel, b) mikrolegovaná ocel Fig. 7. Structure of rolled product – cross section: a) carbon steel, b) microalloyed steel
Rozdíl ve velikostech sekundárního zrna obou sledovaných ocelí je méne výrazná než diference velikostí primárního zrna po jeho rekonstrukci. Velikost zrna mikrolegované oceli je znacne nížší. (obr. 4 a obr. 8).
a) Obr. 8. Fig. 8.
b)
Rekonstrukce austenitického zrna po válcování: a) uhlíková, b) mikrolegovaná ocel Reconstruction of austenitic grain after rolling: a) carbon, b) microalloyed steel
Hodnocení mikrostruktury TEM ve válcovaném stavu opet neprokázalo precipitaci cástic obsahujících Nb ve feritu. Výskyt niobu byl pozorován na nekterých rozhraních mezi útvary feritu, resp. na hranicích ferit – perlit (obr 9). Místy lze na replikách pozorovat zdvojení hranic ferit- ferit pravdepodobne související s výskytem souvislého filmu cástic. Takovéto zdvojení hranice bylo pozorováno i u žíhaných vzorku. Prítomnost Nb na hranicích nekterých feritických zrn, prípadne mezi feritem a perlitem však byla potvrzena WDS a EDS analýzou. (obr. 10.).
5
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Obr. 9. Hranice ferit-ferit a ferit-perlit válcovaného stavu C-Nb oceli (TEM) Fig. 9. Ferrite- ferrite and ferrite paerlite boundary in rolled state of C-Nb steel (TEM)
Obr. 10. EDS mikroanalýza hranice feritferit válcovaného stavu C-Nb oceli Fig. 10. EDX microanalysis of ferriteferrite boundary in rolled state of C-Nb steel
3.2 Tvrdost a mikrotvrdost Tvrdost a mikrotvrdost byla urcována ve všech sledovaných stavech obou typu ocelí, mikrotvrdost pak byla merena na feritických a perlitických zrnech. Tvrdost u kontislitku dosahuje absolutne nejvyšších hodnot ze všech hodnocených stavu sledovaných ocelí (obr. 11.). Výrazne vyšší tvrdost má ocel mikrolegovaná Nb, což souvisí pravdepodobne sprítomností bainitických útvaru ve strukture. Mikrotvrdost v litém stavu C
HV10 200
C-Nb
187
180 160
152
140 120 100
HVm 350 300 250 200 150 100 50 0
Ferit
C
Obr. 11. Tvrdost v litém stavu Fig. 11. Hardness in cast state
Acikulární ferit
Perlit
C-Nb
Obr. 12. Mikrotvrdost v litém stavu Fig. 12. Microhardness in cast state
vykazuje nejvetší rozdíly mezi ocelí uhlíkovou a mikrolegovanou (obr. 12.). Vyšší hodnoty mikrotvrdosti oproti oceli uhlíkové byly zjišteny u feritu i perlitu. Významnou roli hraje pravdepodobne acikulární tvar feritu, v perlitu pak prítomnost cástic obsahujících Nb, jež byla prokázána vlnove disperzní mikroanalýzou. Stav žíhaný se projevuje celkovým poklesem tvrdosti spojeným s výrazným úbytkem acikulárního feritu ve strukture obou typu ocelí. S rostoucí teplotou se tvrdost mírne zvyšuje. Delší doba výdrže na vyšších teplotách zpusobuje pokles tvrdosti. Ocel mikrolegovaná Nb má hodnoty tvrdosti vždy vyšší (obr. 13.). Významný vliv teploty a doby žíhání na mikrotvrdost se u tepelne zpracovaných vzorku neprokázal. (obr. 14.). Mikrotvrdost feritu oproti litému stavu klesla. Mikrolegovaná ocel vykazuje mírne vyšší hodnoty oproti oceli uhlíkové.
6
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
HV 10
vzorek A (C)
vzorek B (C-Nb)
180 160 140 120 100 80 60
1100°C/1.5h
1100°C/6h
1200°C/1.5h
Obr. 13. Fig. 13.
1200°C/6h
1230°C/1h
1230°C/6h
Tvrdost v žíhaném stavu Hardness in annealed state
HVm 10 400
C-Mn ferit C-Mn perlit
C-Mn-Nb ferit C-Mn-Nb perlit
350 300 250 200 150 100 50 0 1100°C/1,5h
1100°C/6h
1200°C/1,5h
1200°C/6h
1230°C/1,5h
1230°C/6h
Obr. 14. Mikrotvrdost v žíhaném stavu Fig. 14. Microhardness in annealed state
HVm
ferit
300
255
249
perlit
Ve válcovaném stavu jsou zjištené hodnoty tvrdostí (tab.2.) oproti žíhanému stavu mírne vyšší, rozdíl hodnot HV mezi ocelí uhlíkovou a mikrolegovanou se snížil. Smerová závislost merení se neprokázala. Mikrotvrdosti obou ocelí se také približují (obr. 15.). Prumerná tvrdost feritu se zvyšuje oproti snížení tvrdosti perlitu. Vliv orientace vzorku vzhledem ke smeru tvárení na výsledky hodnot mikrotvrdosti nebyl prokázán.
254
249
250 200
168
171
161
164
C podél
C napríc
150 100 50 0 C-Nb podél C-Nb napríc
Obr. 15. Mikrotvrdost – válcovaný stav Fig. 15. Microhardness – rolled state
Celkové zvýšení tvrdosti a mikrotvrdosti feritu je ve shode se snížením velikosti zrna po žíhání. 3.3 Další mechanické vlastnosti Vliv mikrolegování niobem na vybrané mechanické vlastnosti sledovaných ocelí zjištených na provozu válcovny ukazuje tab. 2.Ocel s mikrolegurou niobu vykazuje vyšší mez kluzu, mírné snížení meze pevnosti a významný nárust hodnot vrubové houževnatosti zvlášte pri 0°C. Tato zlepšení mechanických vlastností u C-Nb ocelí je spojeno spozorovaným
7
METAL 2004
Tabulka 2.
Hradec nad Moravicí
Tvrdost ve válcovaném stavu a nekteré další mechanické vlastnosti HV30
Stress
Impact toughness KV-20°C KV0°C [J] [J]
Steel
Rolled -
Rolled II
Re [MPa]
Rm [MPa]
C
151
151
348
534
107
130
C-Nb
147
145
381
524
136
218
zjemnením zrna. Soucasne se pravdepodobne uplatnuje i disperznejší rozložení perlitu a existence oblastí s velmi jemným zrnem.
Table 2. Hardness of rolling state and some other mechanical properties
ZÁVERY 1.
Príznivý vliv mikrolegování niobem na snížení velikosti zrna byl potvrzen ve všech sledovaných stavech.
2.
Precipitace NbC resp. Nb(C,N) ve feritu nebyla zatím prokázána. Mikroanalýza potvrdila výskyt cástic obsahujících Nb zejména na hranicích primárních zrn a na hranicích ferit – ferit a ferit – perlit
3.
Tvrdost je u Nb mikrolegovaných ocelí ve všech sledovaných stavech vyšší. Maximální hodnoty tvrdosti vykazuje litý stav.
4.
Zjemnení zrna a rovnomernejší rozložení perlitu ve válcovaném stavu mikrolegovaných ocelí príznive ovlivnuje mechanické vlastnosti, zejména mez kluzu a vrubovou houževnatost.
LITERATURA [1] Zuna, P. at al: Influence of Chemical Composition and Treatment Conditions on Precipitation Phenomena and Final Structure in the Continuously Cast Low Carbon Steels. In: Acta Metallurgica Slovaca. 2001, vol. 7, no. 1, p.149-153. ISSN 1335-1532 [2] Zuna, P. aj.: Vliv následného ohrevu na strukturu a vlastnosti kontislitku ocelí mikrolegovaných niobem. In: Prínos metalografie pro rešení výrobních problému. Praha: CVUT, Fakulta strojní, 2002, s. 30-34. ISBN 80-01-02545-4. [3] Horník, J. aj.: Studium vlivu následných ohrevu uhlíkových a mikrolegovaných ocelí vyrobených kontilitím na strukturu a vlastnosti kontislitku. In: Metal 2003 [CD-ROM]. Ostrava : Tanger: kveten 2003
8
