METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
LABORATORNÍ VÁLCOVÁNÍ FERITICKO-BAINITICKÝCH OCELÍ LABORATORY ROLLING OF FERRITE-BAINITE STEELS Šárka Pacholková *, Tomáš Kubina **, Ivo Schindler **, Anna Moráfková * * VZÚ, NOVÁ HUŤ, a.s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava, ČR ** VŠB - TU Ostrava, FMMI, 17. listopadu 15, 708 33, Ostrava-Poruba, ČR Abstract Hot rolled sheets of C-Mn-Mo steel have been rolled and controlled cooling on the laboratory rolling mill TANDEM at VŠB - TU Ostrava with the aim to obtain a ferrite-bainite microstructure. Mechanical properties have been determined as well as metalographical analyses have been performed on finished hot rolled sheets in addition to the technologic parameters of rolling and of controlled cooling of the sheets. Abstrakt Byla provedena laboratorní simulace válcování a řízeného ochlazování pásů z C-Mn-Mo oceli na dvoustolicové reverzní válcovací trati TANDEM na VŠB-TU Ostrava s cílem určit podmínky, za nichž dochází ke vzniku feriticko-bainitické struktury. Bylo provedeno metalografické hodnocení mikrostruktury proválcovaných a řízeně ochlazených vzorků a hodnoceny mechanické vlastnosti v závislosti na technologických podmínkách válcování a řízeném ochlazování. Úvod Feriticko-bainitické oceli se řadí do skupiny nízkouhlíkových resp. nízkolegovaných ocelí obsahující dvě základní fáze, ferit a bainit. Přestože podrobnější analýzy dokazují, že se ve skutečnosti nejedná pouze o dvoufázový typ mikrostruktury, ale mikrostruktura obvykle obsahuje více fází (mohou být přítomné "bainitické" karbidy, v případě nízkolegovaných ocelí i karbidy a nitridy legujících přísad), lze je zařadit mezi dvoufázové oceli. Obdobně jako dvoufázové feriticko-martenzitické oceli díky své velmi dobré tvařitelnosti nacházejí uplatnění především v automobilovém průmyslu [1,2], ale také se používají na výrobu potrubí [3]. V daném případě se u nich dosahuje při poměrně vysoké pevnosti velmi dobré houževnatosti a poměrně vysoké rychlosti deformačního zpevnění. Tento referát je věnován studiu vlivu technologických parametrů válcování a řízeného ochlazování pásů z C-Mn-Mo oceli válcovaných za tepla na výslednou mikrostrukturu a dosažené mechanické vlastnosti. Použitý materiál V poloprovozních podmínkách Výzkumného a zkušebního ústavu v Nové Huti a.s. byla odlita 40 kg tavba o následujícím chemickém složení: 0,065 % C; 1,48 % Mn; 0,295 % Si; 0,16 % Mo. Vzniklé předlitky měly tvar hranolků o rozměru 20 mm (tloušťka) x 37 mm (šířka) x 111 mm (délka). Tyto byly ofrézované na vzorky o průřezu 18 mm (tloušťka) x 35 mm (šířka) a délce 109 mm, které byly použity ke zkušebnímu proválcování a řízenému ochlazování na dvoustolicové reverzní válcovací trati Tandem v Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů na VŠB - Technické univerzitě Ostrava. Vzorky byly válcovány při jednotné -1-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
doválcovací teplotě 900 °C na konečnou tloušťku 2 mm s následným řízeným ochlazením na navíjecí teplotu 300, 250 a 200 °C. Laboratorní válcování Jednotlivé lité vzorky byly nejprve rozválcovany na poloviční tloušťku. Po předehřevu na teplotu 1200 °C následovaly celkem 4 úběry (stolice A – 14 %, stolice B – 14 %, B – 16 %, A – 17 %), přičemž stolice A má pracovní válce o průměru 150 mm a stolice B o průměru 180 mm. Rychlost otáčení válců byla nastavena na 150 ot/min. Po první dvojici průchodů byla naměřena povrchová teplota polotovaru asi 1100 až 1140 °C, po válcování asi 1020 až 1070 °C. Takto získané provalky byly po vychladnutí nařezány na třetiny, čímž byly z každého vzorku získány tři bramky o délce cca 70 mm. Bramky byly nahřáty na teplotu 1200 °C a válcovány podle následujícího úběrového plánu: stolice A – 21 %, B – 21 %, příhřev, B – 21 %, A – 22 %, pauza pro pokles na doválcovací teplotu, A – 22 %, B – 20 %. Válce se otáčely nominální rychlostí 150 ot/min. Doválcovací teplota byla měřena pyrometrem Land Cyclops 152A. Příhřev mezi první a druhou dvojicí úběru spočíval v opětovném vložení polotovaru na cca 0,5 minuty do pece vyhřáté na 1200 °C, aby mohla být při velké rychlosti chladnutí tenkého polotovaru dodržena plánovaná doválcovací teplota 900°C. Řízené ochlazování Rychlé ochlazení těsně nad navíjecí teplotu zabezpečoval opakovaný průchod vývalku upravenou sekcí vodního chlazení, která disponuje celkem čtyřmi štěrbinovými tryskami (první stříkala vodu na spodní a další tři na horní povrch vývalku). Pohyb materiálu byl dán předem naprogramovaným střídavým smyslem otáčení válečků příslušné dopravníkové sekce. Byly při tom využity koncové spínače reagující na dotyk pohybujícího se provalku a vysílající příslušný impuls do řídicího počítače. Po každém lichém ostřikovém cyklu zajel polotovar do zorného pole pyrometru Omega OS43, který je schopen s krátkou reakční dobou registrovat povrchovou teplotu provalku až do 0 °C. K tomu byla nápomocna jednoduchá nastavitelná vodítka a stacionární laserový zaměřovač (obr. 1). Původní úmysl, regulovat dosaženou navíjecí teplotu předem zvoleným počtem průchodů vodní sprchou, se ukázal v praxi jako nereálný. Poměrně krátké vývalky postupovaly chladící sekcí při rozmanitém zahnutí koncových částí s různou rychlostí, která se více či méně odlišovala od teoretické hodnoty, odvozené od obvodové rychlosti dopravníkových válečků (asi 1 m/s). Bylo tedy nutno sledovat rychle se měnící hodnoty měřené teploty a ukončit proces chlazení ve vhodném okamžiku v závislosti na rozhodnutí a pohotovosti obsluhy. Ve většině případu se -2-
Obr. 1 Výběhový úsek trati TANDEM – provalek chlazený tlakovou vodou, na konzole stacionární pyrometr OS43
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
přestalo chladit při teplotách o 10 až 40 °C vyšších, než byla požadovaná navíjecí teplota. Vyválcované vzorky měly po vychladnutí tloušťku 2,07 až 2,15 mm. Hodnocení mikrostruktury a mechanických vlastností Z proválcovaných vzorků byly odebrány vzorky pro zkoušku tahem dle EN 10 002-1 i zkoušku tvrdosti dle ČSN EN ISO 6507 a také na metalografický rozbor. Tahová zkouška byla prováděna na zkušebním zařízení ZD10, zkouška tvrdosti na zkušebním zařízení BRIVISKOP a hodnocení mikrostruktury bylo prováděno pomocí světelného mikroskopu NEOPHOT 2. Vzorky pásů byly po leptání nitalem pozorovány mikroskopem. Na první pohled se struktura všech vzorků jeví jako feriticko-bainitická, přičemž podíl bainitu ve struktuře klesá se vzrůstající teplotou navíjení (chlazení) pásů po válcování. Důsledným rozborem lze ve struktuře rozlišit ještě další, třetí složku vyskytující se po obvodu bainitických bloků, mající tmavší barvu než samotný bainit, viz obr. 2, 3. Ke zvýraznění a lepšímu odlišení jednotlivých složek ve struktuře bylo použito barevné leptání [4]. Také po barevném leptání jsou ve struktuře patrné oblasti třetí složky, která má nyní světlou barvu, viz obr. 4, 5.
Obr. 2 Struktura vzorku po ochlazení na 250 °C (leptáno nitalem)
Obr. 3 Struktura vzorku po ochlazení na 300 °C (leptáno nitalem)
Z pozorování leptaných struktur jednotlivých vzorků po různém ochlazení z doválcovacích teplot vyplývá následující. V závislosti na teplotě ochlazování z doválcovací teploty se mění podíl feritu, bainitu a třetí složky ve struktuře pásů, stejně tak dochází ke změně morfologie jak feritu a bainitu, tak také třetí složky. Jak již bylo uvedeno, s rostoucí teplotou chlazení klesá podíl bainitu ve struktuře, zvyšuje se podíl feritu a také roste podíl třetí složky. Kromě toho se změnou teploty chlazení dochází ke změně morfologie jednotlivých fází. Rozměrné bainitické bloky patrné u vzorků ochlazovaných na 200 °C jsou při vyšší teplotě nahrazeny drobnějšími ploškami zrnitého bainitu, který při 300 °C již není tak kompaktní jako při 200 °C. Taktéž dochází ke změně morfologie feritu. Zatímco struktura vzorků ochlazovaných na -3-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
200 °C je tvořena proeutektoidním feritem v polyedrickém stavu, ten se začíná při 250 °C protahovat a struktura vzorků ochlazovaných jen na 300 °C je již tvořena feritem acikulárním. Se změnou teploty chlazení dochází také ke změně morfologie třetí strukturní složky. S rostoucí teplotou chlazení se oblasti třetí složky zvětšují a jsou zřetelnější i po pouhém leptání nitalem.
Obr. 4 Struktura vzorku po ochlazení na 250 °C (barevné leptání)
Obr. 5 Struktura vzorku po ochlazení na 300 °C (barevné leptání)
Mechanické vlastnosti proválcovaných vzorků pro různé teploty navíjení jsou uvedeny v tabulce 1. S rostoucí teplotou navíjení klesá pevnost a tvrdost materiálu a vzrůstá jeho tažnost. Klesající hodnota meze pevnosti zřejmě souvisí s klesajícím podílem bainitické fáze [3] a růstem podílu třetí složky ve struktuře vzorků při zvyšování navíjecí teploty. Tabulka1 Hodnoty mechanických vlastností vybraných pásů v závislosti na teplotě navíjení Teplota navíjení Rp0,2 Rm A [°C] [MPa] [MPa] [%] 200 437 590 19,2 200 444 594 18,0 250 437 587 20,0 300 438 576 20,4
-4-
HV 10 217 214 212 209
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Diskuse Z metalografického rozboru je zřejmý vliv teploty navíjení (chlazení) po doválcování na mechanické vlastnosti a strukturu vzniklé feriticko-bainitické oceli. Výsledná struktura po válcování a chlazení, které bylo specifikováno výše, není pouze dvoufázová, ale u všech vzorků je patrná přítomnost třetí složky, jejíž množství s rostoucí teplotou vzrůstá. Jedná se pravděpodobně o produkt rozpadu zbytkového austenitu. Jak bylo prezentováno v práci [5], zrnitý bainit nemusí být vždy tvořen pouze stabilizovaným austenitem ve feritické matrici, ale část austenitu se může rozpadnout na karbidy a ferit nebo také transformovat na martenzit. V našem případě došlo s největší pravděpodobností k rozpadu austenitu na karbidy tvořící ve struktuře třetí složku. Tomu, že se jedná o karbidy a ne martenzit, nasvědčují i hodnoty mechanických vlastností, kdy z rostoucím podílem třetí složky, karbidů, klesá pevnost a tvrdost materiálu. Pokud by část austenitu přítomného v bainitu transformovala na martenzit, dal by se očekávat nárůst hodnot meze pevnosti a tvrdosti materiálu a snížení tažnosti [6]. Závěr Na laboratorní válcovací trati Tandem bylo provedeno válcování pásů z C-Mn-Mo oceli na tloušťku 2,1 mm a jejich řízené ochlazování na teploty navíjení 200, 250 a 300 °C. Poté bylo provedeno hodnocení mechanických vlastností a struktury vyválcovaných vzorků. Struktura všech vzorků je tvořena feritem, bainitem a třetí (karbidickou) složkou, produktem rozpadu části austenitu. Podíl i morfologie feritu, bainitu a karbidů se mění v závislosti na teplotě chlazení (navíjení). Taktéž dochází ke změně mechanických vlastností vyválcovaných pásů. Při stejné teplotě předehřevu a doválcovací teplotě s rostoucí navíjecí teplotou klesá mez pevnosti i tvrdost materiálu a zvyšuje se jeho tažnost. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Bano, X., Teracher, P., Issartel, C. Aciers laminés à chaud à très haute résistance pour mise en forme à froid. Revue de Métalurgie-CIT, 1995, č. 10/11, s. 1271-1280. Rigaut, G., Marron, G. Les roues allégées. Revue de Métalurgie-CIT, 1997, č. 11, s. 1413-1423. Hüper, T., Endo, S, Ishikawa, N., Osawa, K. Effect of Volume Fraction of Contituent Phases on the Stress-Strain Relationship of Dual Phase Steels, ISIJ International, 1999, roč. 39, č. 3, s. 288-294. LePera, Frank S. Improved Etching Technique to Emphasize Martensite and Bainite in High-Strength Dual-Phase Steel, Journal of Metals, 1980, March, s. 38-39. Habraken, L., Brouwer, J.-L. Metalografija železa. Přel. Z. Š. Cherodinašvili. 1. vyd. Moskva: Metallurgija, 1972, 127 s. Osnovy Metallografii (s atlasom mikrofotograij). Sv.1. Přeloženo z: De Ferri Metallographia. ISBN 669.017:620.18. Hrivňák, I. Zrnitý bainit vo zvarových spojoch vysokopevných ocelí, Kovové materiály, 1995, roč. 33, č. 1, s. 31-42.
-5-
