MOŽNOSTI TERMOMECHANICKÉHO VÁLCOVÁNÍ DRÁTU NA SPOJITÉ DRÁTOTRATI V TŘINECKÝCH ŽELEZÁRNÁCH

METAL 2001

15. – 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

MOŽNOSTI TERMOMECHANICKÉHO VÁLCOVÁNÍ DRÁTU NA SPOJITÉ DRÁTOTRATI V TŘINECKÝCH ŽELEZÁRNÁCH Jiří Klibera Karel Čmielb a) Katedra tváření materiálu FMMI, VŠB-TU Ostrava, 708 33 Ostrava-Poruba, ČR, E-mail: [email protected] b) Technologie a výzkum, Třinecké železárny, a.s., Průmyslová 1100, 739 70 Třinec, ČR, [email protected]

Abstract Properly defined microstructural characteristics of the material result in the required mechanical and technological properties of rolled product. The theoretical knowledge on thermo-mechanical forming is briefly presented in the paper. The newly reconstructed wire rod mill in Třinec provides controlled rolling and controlled cooling of the steel. The possibilities and the first experience with thermo-mechanical rolling of cold upsetting grades, ball bearing and springs steels.. 1. ÚVOD Termomechanické, popřípadě normalizační válcování patří mezi moderní metody řízeného válcování zajišťující dosažení mikrostrukturních charakteristik materiálu a z toho vyplývajících mechanicko-technologických vlastností už v drátu ve válcovaném stavu. Toto je možné jen pod podmínkou finálního válcování za přesně definovaných teplot požadovaných pro tento charakter tváření. Třinecká kontidrátová trať skýtá po etapově provedené rekonstrukci výborné předpoklady termomechanického zpracování drátu. Chladící úsek ve smyčce dvoužílové tratě umožňuje přesně definovat teplotu finálního tváření, za blokem instalované chladící skříně pak pokládací teplotu na Stelmor dopravník. Řízené ochlazování drátu na dopravníku dokresluje finální vlastnosti materiálu. Jestliže finální válcování drátu v hotovním bloku probíhá při transformačních teplotách mezi Ar3 a Ar1 v oblasti přeměny γ →α , jedná se o termomechanické tváření. V případě normalizačního válcování probíhá finální tváření v oblasti sta- bilního austenitu, to je běžně 30 - 50 °C nad teplotou Ar3. Cílem výroby válcovaného drátu je obdržet optimální mikrostrukturu tvářeného materiálu definovanou fázovými podíly a velikostí zrna. K docílení jemného feritického zrna s vysokým podílem feritu a malou velikostí perlitických bloků s nízkou mezilamelární vzdáleností je volena doválcovací teplota kolem, popřípadě těsně pod Ar3, kdy je hnací síla k dynamické rekrystalizaci v austenitu největší. Výsledkem je rovněž příznivá homogenita mikrostruktury jak po průřezu drátu, tak i po jeho délce. Jemná a homogenní feriticko perlitická mikrostruktura vzniká také při normalizačním válcování, přičemž velikost sekundárního zrna závisí na velikosti austenitického zrna, a tím na válcovací teplotě. Při normalizačním válcování však oceli s vysokým obsahem Mn (nad 1 %) mají sklony k nežádoucí tvorbě bainitu a martenzitu v segregovaných zónách.

-1-

METAL 2001

15. – 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

Řízená a přesně definovaná mikrostruktura materiálu je nositelem mechanických a technologických vlastností válcovaného drátu důležitých především pro jeho další zpracovatelnost. Celá technologie a stanovení postupu řízeného tváření je natolik složitá, že ji nelze popsat ani v omezeném rozsahu. V teoretické vstupní části se budeme zabývat jedním dílčím problémem a to otázkou chování se materiálu v hotovním bloku z pohledu rychlostního a na to navazujícího způsobu uzdravování. 2. ZENER-HOLLOMONŮV PARAMETR Od prvopočátku tvářecích operací hluboko do minulosti se ukazuje, že obsluha tvářecích strojů si uvědomovala zejména vztahy na jedné straně teploty 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 povědomí se postupně promítne možný jednoduchý diagram, ze kterého je zřejmé, o co se v případě řízeného tváření, nebo také termomechanického zpracování, jedná, viz diagram 1. [2]. Tabulka 1. Celkové propojení modelů pro řízené tváření

Model pro změny struktury, fázové změny, velikost zrna.

Ohřívací model

Materiál Zpevňování a odpevňování Teplotní model

Úběrový plán

Model pro precipitaci, transformaci.

Ochlazovací model

Válcovací strategie Přenos dat

Do hry vstupuje velikost deformace ε , velikost rychlosti deformace ε! , teplota T , tvářecí čas t t a čas v pauzách mezi deformacemi t p . Tyto převážně termomechanické parametry jsou kupodivu poměrně snadno zjistitelné, objektivně prokazatelné a vyskytují se v celé řadě konstitutivních rovnic pro popis zpevňování, rekrystalizace, podílu uzdravené struktury a dalších. Parametry struktury, byť zdánlivě též zjistitelné, jako je již chemické složení, velikost zrna a další (mikrostruktura, vměstky, precipitáty, sic!) a další , které od prvopočátku vstupují do procesu, se mění v závislosti na termomechnických podmínkách tváření a přesné matematické popisy jsou mnohem obtížnější. Nehledě na to, že zatímco simulace prvně uvedených vlivů, ať už plastometrická či počítačová a konečně laboratorní, je

-2-

METAL 2001

15. – 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

bez vážnějších problémů možná, napodobení průběhu strukturních dějů je simulačně mnohem složitější. Soustředíme se nyní jen na jeden parametr a to Zener-Hollomonův ve tvaru  Q  Z = ε! exp  (1)   RT  který je sice používán, ale jeho význam není zcela doceněn. Je to vlastně teplotně upravená rychlost deformace. Aktivační energie Q může být buď pro statickou rekrystalizaci, v případě tváření za tepla, zejména s většími rychlostmi deformace a většími úběry, tedy v oblasti dynamických uzdravovacích procesů se bere aktivační energie dynamické rekrystalizace (dynamického zotavení) Qdyn . (V literatuře se vyskytovaly úvahy o stanovení této hodnoty jako např. Qdyn = Q + 0,375 Q ). Praktické stanovení této hodnoty je podle našeho názoru možné pouze plastometrickými zkouškami na reálném materiále, i když orientačně se můžeme řídit na příklad starší prací [3] v podobě závislosti na obsahu uhlíku podle rovnice Qdyn = exp(5,566 − 0,0502 ln C) (2) 10 To pro běžné uhlíkové oceli vede k prahové hodnotě okolo 10 a protože rychlost deformace se při válcování drátu za tepla pohybuje od 10-1 až do 104 s-1 , dosahuje v posledních úběrech v bloku hodnot řádově 1015. Za kriterium počátku dynamické rekrystalizace můžeme brát velikost skutečné (logaritmické) deformace ε ≥ 0,8 ε p , případně přesně stanovenou hodnotu

ε p . Musíme mít v patrnosti to, že strukturně se prvá dynamicky rekrystalizovaná zrna objevují již před mechanicky zjistitelným píkem. Zjištění této velikosti ε p je však , i přes řadu pokusů a extrapolací, prakticky nemožné. V současnosti existují plastometrické zkoušky, umožňující spolehlivou rychlost deformace do řádově 102 s-1 , i když jen ojediněle a na nákladném a unikátním zařízení. Rozdíl do 104 je pro jakoukoli extrapolaci velmi diskutabilní. Ukázalo se ale jako možné tuto hodnotu dát do závislosti na Zener-Hollomonově parametru, nebo na podobné závislosti a uvádíme několik vztahů podle [2] v tabulce 2. Tabulka 2. Přehled některých vztahů pro stanovení píkové deformace pro start dynamické rekrystalizace. Sellars

ε p = a1 Dγ 0 2 Z a3

Zouhar

ε p = a ( k 0 ε ) −1 Z

Kopp

ε p = 0,8 . 4,9 .1014 Dγ 0 Z 0,15

Senuma

 8000  ε p = 4,76 .10 − 4 exp    T  −1 ε p = K (ε! ,T ) Z

Walther Kliber [4]

a

ε p = W Z = AZ 1− a = A ε! 1− a Z 1− a

Těchto vztahů je nutno využít při určování modelu rekrystalizace v hotovním bloku, tj. v tabulce 1. pod Materiálem v rámečku zpevňování a odpevňování. 3. OCELI URČENÉ K VÝROBĚ SPOJOVACÍCH SOUČÁSTÍ Řízené válcování drátu může být zaměřeno především na zpracování materiálů určených k objemovému tváření za studena. -3-

METAL 2001

15. – 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

Konvenční procesový řetěz výroby spojovacích součástí spočívá v žíhání na měkko válcovaného drátu, následném kalibračním tažení, protváření za studena a konečném zušlechtění. Ještě dneska je vyráběna největší část produkce na částech protvářených za studena touto cestou. Ostatní procesové řetězy se vyznačují zjednodušením, popřípadě odpadnutím žíhacích kroků, a tím redukcí výrobních nákladů. Tak vzniká možnost v přímém nasazení termomechanicky válcovaného drátu k tažení za úspory žíhání. Další možnost vzniká použitím mikrolegovaných ocelí nebo dvojfázových ocelí, u nichž oproti 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 pod termo-poklopem. Takto může být upuštěno od žíhání a kalibračního tažení válcovaného drátu. Metody zpracování prostřednictvím regulace teploty pro dlouhé výrobky se rozlišují podle průběhu teplota - čas, který je transformován procesem protváření do termomechanického válcování v oblasti metastabilního austenitu s konečnými teplotami válcování 750 - 900 °C a do normalizačního válcování v oblasti stabilního austenitu s konečnými teplotami válcování 800 - 1000 °C. V závislosti na dané konečné válcovací teplotě a řízeném ochlazování může být pro výrobní program provedeno následující členění: ♦ ♦ ♦

řízené válcování k dosažení vhodné výstupní struktury pro následné tepelné zpracování termomechanické válcování k nastavení požadovaných mechanicko-technologických vlastností přímým procesem bez tepelného zpracování řízené válcování alternativních ocelových jakostí (mikrolegované, dvojfázové) bez konečného zušlechtění.

4. DOSAŽENÍ VHODNÉ VÝSTUPNÍ STRUKTURY PRO NÁSLEDUJÍCÍ TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ Cílem válcovaného drátu je obdržet optimalizací výstupní struktury válcovaného materiálu vysoký stupeň překrystalizace na naměkko žíhaném drátě. Přitom hrají důležitou roli také hospodářské aspekty, poněvadž může být při odpovídajícím vedení procesu vždy podle kvality a rozměru redukována doba žíhání. Důležitými parametry z hlediska válcování je doválcovací teplota a ochlazovací parametr po válcování. Rostoucí výrobou vysocejakostních spojovacích prvků v Evropě dochází k posunutí výroby ve směru k legovaným ocelím pěchovaným za studena, které musí být většinou nasazeny k dalšímu zpracování většinou v žíhaném stavu. Správně vedeným procesem 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 typu 37Cr4 a 42CrMo4 mají potenciál poklesu pevnosti prostřednictvím termomechanického válcování. Zatímco u 37Cr4 kruhového rozměru 18,25 mm po normalizačním válcování s doválcovacími teplotami kolem 985 °C je pevnost válcovaného drátu okolo 800 MPa, pak po termomechanickém válcování v oblasti metastabilního austenitu s doválcovacími teplotami kolem 700 °C klesá pevnost o 220 MPa na 680 MPa; zároveň stoupá kontrakce z 58 % na 62 % [ 5 ].

-4-

METAL 2001

15. – 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

Při studiu mikrostruktur lze výrazně rozpoznat po termomechanickém válcování o 30 % vyšší podíl feritu a jemnější globulární zrno; zrno se zjemňuje podle ASTM ze 7,5 - 8,5 o normalizačním válcování na 9,5 - 10 po termomechanickém válcování. Také po žíhání na měkko vykazuje termomechanicky válcovaný drát přibližně o 50 MPa nižší žíhanou pevnost při současně zlepšené kontrakci. U 42CrMo4 kruhového rozměru 18,25 mm může poklesnout pevnost z 900 MPa u doválcovacích teplot kolem 990 °C o 210 MPa na 790 MPa u doválcovacích teplot kolem 740 °C. Dosažitelný pokles pevnosti je přitom závislý na transformačním chování dané oceli. Nízké doválcovací teploty způsobují urychlenou difuzně řízenou tvorbou zárodků feritu a perlitu rozšíření této fázové oblasti v ARA diagramu a posunutí přeměny ke kratším časům. Tímto může být potlačena tvorba bainitu. Při následném ochlazení pod termo poklopem je pevnost válcovaného drátu u 42CrMo4 snížena o dalších 70 MPa na 720 MPa. Současně se vyskytuje zlepšení kontrakce, která má souvislost s jemnou polyedrickou velikostí zrna a rostoucím obsahem feritu a perlitu oproti rozsáhlé bainitické struktuře po normalizačním válcování. Při určování vstupních náběhových teplot do hotovního bloku musí být usilováno o kompromis mezi pokud možno nízkými doválcovacími teplotami a vysokou válcovací rychlostí. V hotovním bloku se používá pouze 2 až 6 stolic, takže je zabráněno příliš silnému znovuohřátí válcovaného materiálu. 6. MIKROLEGOVANÉ OCELI Pro výrobu vysokopevnostních spojovacích součástí byly vyvinuty a běžně se používají oceli mikrolegované borem s vyšším obsahem manganu, popřípadě ještě dolegovány chromem. Jedná se o značky oceli 19MnB4, 23MnB4 a 32CrB4. Posledně jmenovaná má velký význam především pro výrobu vyšších průměrů drátu 13 až 18 mm a cílenou pevnostní třídu výrobku 10.9 a 12.9. Zpracování drátu bez vstupního žíhání na měkko je omezeno pevnostní hladinou 700 MPa. Tu je možno běžně podkročit pouze aplikací termomechanického válcování. 7. LOŽISKOVÉ OCELI Ložiskové oceli, jejichž základní značkou oceli je 100Cr6, získávají stále větší význam v průmyslové výrobě. Nejsou vhodné ke zpracování bez předchozího žíhání na měkko. Rozdíly v pevnostních charakteristikách drátu ve válcovaném stavu nejsou u této oceli rozhodující. Důležité je, aby struktura byla rovnoměrná bez cementitického síťoví po hranicích zrn. Ochlazením drátu před finálními úběry v hotovním bloku na teplotu v rozmezí 860 – 780 °C se potlačí vyloučení síťoví karbidů, po výstupu z hotovního bloku se doporučuje zrychlené ochlazení na cca 750 °C s následným zpomaleným ochlazováním pod izolovanými kryty. Výsledkem je jemnozrnná perlitická mikrostruktura s disperzně rozloženými globulitickými karbidy. Takováto struktura se rychleji sferoidizuje, a proto může dojít ke zkrácení času potřebného k žíhání drátu na GKZ cca o 15 – 30 %. 8. PRUŽINOVÉ OCELI Při tváření pružinových ocelí legovaných Si a Cr (55SiCr) a Cr a V (50CrV4) v oblasti transformačních teplot v hotovním bloku a následném zpomaleném ochlazování na Stelmor dopravníku dochází k tvorbě jemnozrnné feriticko-perlitické mikrostruktury. Rozdílná velikost zrna v povrchové oblasti – jemnozrnná a po průřezu drátu – o stupeň hrubší

-5-

METAL 2001

15. – 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

zrno je nositelem zvýšených užitných vlastností za studena vinutých pružin. Jedná se především o houževnatost a únavové vlastnosti. Správně volené (vyvinuté) termomechanické válcování ocelí zvyšuje užitné vlastnosti provalků, a tím bezesporu zvedá jejich tržní hodnotu. Zkvalitnění mechanických vlastností (např. snížení pevnosti a zvýšení kontrakce přinášející zvýšení houževnatosti materiálu) a řízení mikrostruktury (jednotlivé fáze, velikost zrna) dává předpoklad snížení zpracovacích nákladů u odběratelů, to znamená umožní zjednodušení (vynechání) technologické cesty, popřípadě její zkrácení. 9. ZÁVĚR

[1] [2] [3] [4] [5]

SATTMANN, A. Stahl und Eisen. 1884, 4, s. 220-227. LEHNERT, W. Kontrollierte Warmumformung und gesteuerte Abkühlung ausgewählter Drahtsortimente. Neue Hütte. 1987, 32, (11) s. 412-417. KOKADO, J, aj. Steel research. 1985, roč. 56, č. 12., s.619-624. KLIBER, J. Simulation of forming processes by plastometric tests. Sborník vědeckých prací VŠB-TU Ostrava. 1997,roč. XLII, č. 1., řada hutnická, s. 1-57. BALL, J., CLEMENS, J.. Prozeßverkürzung durch Einsparung von Wärmebehandlungen bei Herstellung von Draht und Stab, Stahl und Eisen, 117, 1997.

-6-