METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 1 -

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

AbstractHot rolled sheets of C-Mn-Mo steel have been rolled and controlled cooling on the laboratoryrolling mill TANDEM at VŠB - TU Ostrava with the aim to obtain a ferrite-bainitemicrostructure. Mechanical properties have been determined as well as metalographicalanalyses have been performed on finished hot rolled sheets in addition to the technologicparameters of rolling and of controlled cooling of the sheets.

AbstraktByla provedena laboratorní simulace válcování a řízeného ochlazování pásů z C-Mn-Mo ocelina dvoustolicové reverzní válcovací trati TANDEM na VŠB-TU Ostrava s cílem určitpodmínky, za nichž dochází ke vzniku feriticko-bainitické struktury. Bylo provedenometalografické hodnocení mikrostruktury proválcovaných a řízeně ochlazených vzorků ahodnoceny mechanické vlastnosti v závislosti na technologických podmínkách válcování ařízeném ochlazování.

ÚvodFeriticko-bainitické oceli se řadí do skupiny nízkouhlíkových resp. nízkolegovaných ocelíobsahující dvě základní fáze, ferit a bainit. Přestože podrobnější analýzy dokazují, že se veskutečnosti nejedná pouze o dvoufázový typ mikrostruktury, ale mikrostruktura obvykleobsahuje více fází (mohou být přítomné "bainitické" karbidy, v případě nízkolegovanýchocelí i karbidy a nitridy legujících přísad), lze je zařadit mezi dvoufázové oceli. Obdobně jakodvoufázové feriticko-martenzitické oceli díky své velmi dobré tvařitelnosti nacházejíuplatnění 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 dobréhouževnatosti a poměrně vysoké rychlosti deformačního zpevnění.

Tento referát je věnován studiu vlivu technologických parametrů válcování a řízenéhoochlazování pásů z C-Mn-Mo oceli válcovaných za tepla na výslednou mikrostrukturu adosažené mechanické vlastnosti.

Použitý materiálV poloprovozních podmínkách Výzkumného a zkušebního ústavu v Nové Huti a.s. byla odlita40 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 111mm (délka). Tyto byly ofrézované na vzorky o průřezu 18 mm (tloušťka) x 35 mm (šířka) adélce 109 mm, které byly použity ke zkušebnímu proválcování a řízenému ochlazování nadvoustolicové reverzní válcovací trati Tandem v Ústavu modelování a řízení tvářecíchprocesů na VŠB - Technické univerzitě Ostrava. Vzorky byly válcovány při jednotné

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 2 -

doválcovací teplotě 900 °C na konečnou tloušťku 2 mm s následným řízeným ochlazením nanavíjecí teplotu 300, 250 a 200 °C.

Laboratorní válcováníJednotlivé lité vzorky byly nejprve rozválcovany na poloviční tloušťku. Po předehřevu nateplotu 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 180mm. Rychlost otáčení válců byla nastavena na 150 ot/min. Po první dvojici průchodů bylanaměřena 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 každéhovzorku 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 doválcovacíteplotu, A – 22 %, B – 20 %. Válce se otáčely nominální rychlostí 150 ot/min. Doválcovacíteplota byla měřena pyrometrem Land Cyclops 152A. Příhřev mezi první a druhou dvojicíúběru 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 plánovanádoválcovací teplota 900°C.

Řízené ochlazováníRychlé ochlazení těsně nad navíjecí teplotu zabezpečoval opakovaný průchod vývalkuupravenou sekcí vodního chlazení, která disponuje celkem čtyřmi štěrbinovými tryskami(první stříkala vodu na spodní a další tři na horní povrch vývalku). Pohyb materiálu byl dánpředem naprogramovaným střídavýmsmyslem otáčení válečků příslušnédopravníkové sekce. Byly při tom využitykoncové spínače reagující na dotykpohybujícího se provalku a vysílajícípříslušný impuls do řídicího počítače. Pokaždém lichém ostřikovém cyklu zajelpolotovar do zorného pole pyrometru OmegaOS43, který je schopen s krátkou reakčnídobou registrovat povrchovou teplotuprovalku až do 0 °C. K tomu byla nápomocnajednoduchá nastavitelná vodítka a stacionárnílaserový zaměřovač (obr. 1).

Původní úmysl, regulovat dosaženou navíjecíteplotu předem zvoleným počtem průchodůvodní sprchou, se ukázal v praxi jakonereálný. Poměrně krátké vývalkypostupovaly chladící sekcí při rozmanitémzahnutí koncových částí s různou rychlostí,která se více či méně odlišovala od teoretickéhodnoty, odvozené od obvodové rychlostidopravníkových válečků (asi 1 m/s). Bylotedy nutno sledovat rychle se měnící hodnotyměřené teploty a ukončit proces chlazení vevhodném okamžiku v závislosti na rozhodnutía pohotovosti obsluhy. Ve většině případu se

Obr. 1 Výběhový úsek trati TANDEM –provalek chlazený tlakovou vodou,

na konzole stacionární pyrometr OS43

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 3 -

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 vlastnostíZ proválcovaných vzorků byly odebrány vzorky pro zkoušku tahem dle EN 10 002-1 izkoušku tvrdosti dle ČSN EN ISO 6507 a také na metalografický rozbor. Tahová zkouškabyla prováděna na zkušebním zařízení ZD10, zkouška tvrdosti na zkušebním zařízeníBRIVISKOP a hodnocení mikrostruktury bylo prováděno pomocí světelného mikroskopuNEOPHOT 2.

Vzorky pásů byly po leptání nitalem pozorovány mikroskopem. Na první pohled se strukturavšech vzorků jeví jako feriticko-bainitická, přičemž podíl bainitu ve struktuře klesá sevzrůstající teplotou navíjení (chlazení) pásů po válcování. Důsledným rozborem lze vestruktuře rozlišit ještě další, třetí složku vyskytující se po obvodu bainitických bloků, majícítmavší barvu než samotný bainit, viz obr. 2, 3. Ke zvýraznění a lepšímu odlišení jednotlivýchsložek ve struktuře bylo použito barevné leptání [4]. Také po barevném leptání jsou vestruktuře patrné oblasti třetí složky, která má nyní světlou barvu, viz obr. 4, 5.

Obr. 2 Struktura vzorku po ochlazenína 250 °C (leptáno nitalem)

Obr. 3 Struktura vzorku po ochlazenína 300 °C (leptáno nitalem)

Z pozorování leptaných struktur jednotlivých vzorků po různém ochlazení z doválcovacíchteplot vyplývá následující. V závislosti na teplotě ochlazování z doválcovací teploty se měnípodíl feritu, bainitu a třetí složky ve struktuře pásů, stejně tak dochází ke změně morfologiejak feritu a bainitu, tak také třetí složky. Jak již bylo uvedeno, s rostoucí teplotou chlazeníklesá podíl bainitu ve struktuře, zvyšuje se podíl feritu a také roste podíl třetí složky. Kromětoho se změnou teploty chlazení dochází ke změně morfologie jednotlivých fází. Rozměrnébainitické bloky patrné u vzorků ochlazovaných na 200 °C jsou při vyšší teplotě nahrazenydrobnějšími 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

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 4 -

200 °C je tvořena proeutektoidním feritem v polyedrickém stavu, ten se začíná při 250 °Cprotahovat 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. Srostoucí teplotou chlazení se oblasti třetí složky zvětšují a jsou zřetelnější i po pouhém leptánínitalem.

Obr. 4 Struktura vzorku po ochlazenína 250 °C (barevné leptání)

Obr. 5 Struktura vzorku po ochlazenína 300 °C (barevné leptání)

Mechanické vlastnosti proválcovaných vzorků pro různé teploty navíjení jsou uvedeny vtabulce 1. S rostoucí teplotou navíjení klesá pevnost a tvrdost materiálu a vzrůstá jehotažnost. Klesající hodnota meze pevnosti zřejmě souvisí s klesajícím podílem bainitické fáze[3] a růstem podílu třetí složky ve struktuře vzorků při zvyšování navíjecí teploty.

Tabulka1Hodnoty mechanických vlastností vybraných pásů v závislosti na teplotě navíjeníTeplota navíjení

[°C]Rp0,2

[MPa]Rm

[MPa]A

[%]HV 10

200 437 590 19,2 217200 444 594 18,0 214250 437 587 20,0 212300 438 576 20,4 209

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 5 -

DiskuseZ metalografického rozboru je zřejmý vliv teploty navíjení (chlazení) po doválcování namechanické vlastnosti a strukturu vzniklé feriticko-bainitické oceli. Výsledná struktura poválcování a chlazení, které bylo specifikováno výše, není pouze dvoufázová, ale u všechvzorků je patrná přítomnost třetí složky, jejíž množství s rostoucí teplotou vzrůstá. Jedná sepravděpodobně o produkt rozpadu zbytkového austenitu. Jak bylo prezentováno v práci [5],zrnitý bainit nemusí být vždy tvořen pouze stabilizovaným austenitem ve feritické matrici, alečást austenitu se může rozpadnout na karbidy a ferit nebo také transformovat na martenzit. Vnašem případě došlo s největší pravděpodobností k rozpadu austenitu na karbidy tvořící vestruktuře třetí složku. Tomu, že se jedná o karbidy a ne martenzit, nasvědčují i hodnotymechanických vlastností, kdy z rostoucím podílem třetí složky, karbidů, klesá pevnost atvrdost 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].

ZávěrNa laboratorní válcovací trati Tandem bylo provedeno válcování pásů z C-Mn-Mo oceli natloušťku 2,1 mm a jejich řízené ochlazování na teploty navíjení 200, 250 a 300 °C. Poté byloprovedeno hodnocení mechanických vlastností a struktury vyválcovaných vzorků.

Struktura všech vzorků je tvořena feritem, bainitem a třetí (karbidickou) složkou, produktemrozpadu části austenitu. Podíl i morfologie feritu, bainitu a karbidů se mění v závislosti nateplotě chlazení (navíjení). Taktéž dochází ke změně mechanických vlastností vyválcovanýchpásů. Při stejné teplotě předehřevu a doválcovací teplotě s rostoucí navíjecí teplotou klesámez pevnosti i tvrdost materiálu a zvyšuje se jeho tažnost.

Literatura

[1] Bano, X., Teracher, P., Issartel, C. Aciers laminés à chaud à très haute résistance pourmise en forme à froid. Revue de Métalurgie-CIT, 1995, č. 10/11, s. 1271-1280.

[2] Rigaut, G., Marron, G. Les roues allégées. Revue de Métalurgie-CIT, 1997, č. 11, s.1413-1423.

[3] Hüper, T., Endo, S, Ishikawa, N., Osawa, K. Effect of Volume Fraction of ContituentPhases on the Stress-Strain Relationship of Dual Phase Steels, ISIJ International, 1999,roč. 39, č. 3, s. 288-294.

[4] LePera, Frank S. Improved Etching Technique to Emphasize Martensite and Bainite inHigh-Strength Dual-Phase Steel, Journal of Metals, 1980, March, s. 38-39.

[5] 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.

[6] Hrivňák, I. Zrnitý bainit vo zvarových spojoch vysokopevných ocelí, Kovovémateriály, 1995, roč. 33, č. 1, s. 31-42.