78 Prace IMŻ 1 (2010) Marcin KNAPIŃSKI, Henryk DYJA, Marcin KWAPISZ Politechnika Częstochowska FIZYCZNE SYMULACJE PROCESU KONTROLOWANEGO WALCOWANIA PRĘTÓW Z EKSPERYMENTALNEJ SUPERDROBNOZIARNISTEJ STALI KONSTRUKCYJNEJ W pracy przedstawiono wyniki fizycznego modelowania procesu walcowania prętów z superdrobnoziarnistej stali konstrukcyjnej. Symulacje przeprowadzono za pomocą urządzenie Gleeble 3800. Celem przeprowadzonych symulacji było określenie wpływu zastosowanego schematu odkształceń i temperatur na uzyskaną strukturę końcową materiału po schłodzeniu do temperatury otoczenia. W badaniach dla wszystkich analizowanych schematów odkształceń zastosowano przyspieszone chłodzenie do temperatury 300 o C z prędkością 10 o C/s. Próbki po odkształceniach poddano analizie mikrograficznej w celu ujawnienia składników fazowych oraz określenia uzyskanej wielkości ziarna ferrytu. Dodatkowo badania uzupełniono o pomiary twardości w celu wyznaczenia przybliżonych wartości granicy plastyczności oraz wytrzymałości na rozciąganie. Słowa kluczowe: kontrolowane walcowanie prętów, symulacja fizyczna, stal superdrobnoziarnista PHYSICAL SIMULATIONS OF A PROCESS OF CONTROLLED ROLLING OF BARS OF EXPERIMENTAL SUPER FINE-GRAINED CONSTRUCTIONAL STEEL The paper presents the results of physical modeling of a rolling process of bars of super fine- grained construction steel. Simulations were carried out using the Gleeble 3800 device. The aim of the said simulations was to determine the impact of applied deformation pattern and temperatures on the final structure of material obtained after cooling to the ambient temperature. During the research accelerated cooling with the rate of 10 o C/s to the temperature of 300 o C was used for all the analyzed patterns of deformation. The samples following deformation were subject to micrographic analysis in order to disclose phase components and determine the achieved size of ferrite grain. Additionally, the research was completed with hardness measurement to determine the estimated values of yield point and tensile strength. Key words: controlled bars rolling, physical simulation, super fine-grained steel 1. WPROWADZENIE Globalna intensyfikacja procesów produkcyjnych pociąga za sobą konieczność wytwarzania nowych materiałów stalowych charakteryzujących się wysokim stosunkiem właściwości mechanicznych do ceny. Poszukiwanymi na rynku stali stają się wyroby, w których podczas procesu produkcyjnego uzyskano możliwie drobnoziarnistą strukturę, (średnica ziarna ferrytu w wyrobie gotowym poniżej 2 μm), która zapewnia bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe oraz plastyczne (także udarność) przy niskim udziale dodatków stopowych. Uzyskanie takiej struktury w stalach konstrukcyjnych niskowęglowych, niestopowych (ewentualnie z mikrododatkami) jest możliwe na drodze obróbki cieplno-plastycznej, a to zapewnia produkcję wyrobów o dobrych właściwościach (o wytrzymałości powyżej 700 MPa) oraz niskiej cenie i znacznej podatności do recyklingu. Jeden ze sposobów uzyskania struktury superdrobnoziarnistej w stalach niskowęglowych, niestopowych po walcowaniu na gorąco polega na zastosowaniu znacznych odkształceń w ostatnich gniotach, które odbywają się w pobliżu temperatury przemiany austenitu lub w zakresie dwufazowym γ+α z następnym przyśpieszonym chłodzeniem do temperatury otoczenia [1 3]. W ramach konsorcjum naukowego, skupiającego: Instytut Metalurgii Żelaza, Politechnikę Śląską, Akademię Górniczo-Hutniczą, Politechnikę Warszawską i Politechnikę Częstochowską, prowadzone są obecnie badania nad opracowaniem technologii przeróbki plastycznej nowych gatunków stali, wśród których znajduje się stal konstrukcyjna superdrobnoziarnista. W pracy przedstawiono część wyników badań, mających na celu określenie optymalnych warunków walcowania prętów w warunkach walcowni liniowej z analizowanej stali, gwarantujących maksymalne rozdrobnienie ziarna i uzyskanie struktury ferrytycznej o równoosiowych ziarnach ferrytu z wydzieleniami perlitu i/lub bainitu. 2. OPIS MATERIAŁU I PRZEBIEG BADAŃ Przedmiotem badań opisanych w pracy była superdrobnoziarnista stal konstrukcyjna, której skład chemiczny został opracowany w Instytucie Metalurgii Żelaza. W Instytucie wykonano eksperymentalne wytopy
Prace IMŻ 1 (2010) Fizyczne symulacje procesu kontrolowanego walcowania prętów... 79 Tablica 1. Skład chemiczny badanej stali Table 1. Chemical composition of the tested steel C Mn Si P S Cr Ni Mo Co V Ti Al Cu 0,13 0,83 0,17 0,012 0,011 <0,02 0,02 <0,01 0,01 0,1 0,024 0,023 0,02 Tablica 2. Schemat odkształceń realizowany podczas symulacji walcowania prętów Table 2. Pattern of deformations realized during simulations of bars rolling Przepust 1 Przepust 2 Przepust 3 Przepust 4 Nr Obszar pręta 1 T 1 t 1 2 T 2 t 2 3 T 3 t 3 4 T 4 [-] [ o C] [s] [-] [ o C] [s] [-] [ o C] [s] [-] [ o C] 1 0,5 900 5 0,5 887 5 0,1 870 5 0,1 850 2 Rdzeń 0,5 865 5 0,5 852 5 0,1 835 5 0,1 815 3 0,5 830 5 0,5 817 5 0,1 800 5 0,1 780 4 0,4 955 5 0,1 925 5 0,4 890 5 0,1 850 5 Powierzchnia 0,4 920 5 0,1 890 5 0,4 855 5 0,1 815 6 0,4 885 5 0,1 855 5 0,4 820 5 0,1 780 i odlano wlewki o wymiarach 100 100 700 mm. Wyniki analizy składu chemicznego wlewków przedstawiono w tablicy 1. W celu usunięcia występującej w materiale, charakterystycznej dla wlewków, struktury dendrytycznej oraz w celu wyeliminowania ewentualnych wad odlewniczych, stal została poddana wstępnej obróbce plastycznej na gorąco. Z wlewków odkuto płaskowniki o wymiarach około 27,5 16,5 mm, po czym poddano je operacji wyżarzania normalizującego. Tak przygotowany materiał został dostarczony do przeprowadzenia symulacji fizycznych procesu walcowania wyrobów płaskich. Fizyczne modelowanie procesu walcowania stali przeprowadzono za pomocą symulatora GLEEBLE 3800 produkcji amerykańskiej firmy Dynamic Systems Inc. Wykorzystując uniwersalne cechy urządzenia, można przeprowadzić między innymi następujące testy: badanie wytrzymałości na gorąco w teście rozciągania, próbę jednoosiowego ściskania, test ściskania w płaskim stanie odkształcenia [4 6]. Do symulacji procesu walcowania prętów wykorzystano test ściskania w płaskim stanie odkształcenia. Z dostarczonych płaskowników stalowych pobrano próbki prostopadłościenne o wymiarach 10 15 20 zgodnie z rys. 1. Podczas symulacji walcowania blach grubych próbki nagrzewano do temperatury 1000 o C z szybkością 5 o C/s, po czym wygrzewano w tej temperaturze przez 15 s dla uzyskania jednorodnej temperatury w odkształcanej części próbki. Następnie próbki chłodzono z szybkością 3 o C/s do temperatury odkształcenia i ściskano zgodnie ze schematami przedstawionymi w tablicy 2. Po zakończeniu odkształceń próbki chłodzono z szybkością 10 o C/s do temperatury 300 o C, a następnie do temperatury otoczenia w powietrzu. Schemat zmian temperatury podczas symulacji przedstawiono na rys. 2. W ramach symulacji walcowania prętów w warunkach walcowni liniowej zrealizowano około 50 symulacji dla różnych warunków odkształceń i temperatur w poszczególnych przepustach. Jednak z uwagi na ograniczoną objętość niniejszego opracowania przedstawiono jedynie wyniki sześciu zrealizowanych symulacji. Parametry procesu dobrano w taki sposób, aby kończyć walcowanie w temperaturach: 850 o C, 815 o C i 780 o C, natomiast przerwy pomiędzy kolejnymi odkształceniami wynosiły w każdym przypadku 5 s. Zrealizowane schematy odkształceń odzwierciedlają walcowanie w 4 ostatnich przepustach procesu, przy czym przyjęto, że podczas walcowania w wykrojach w inny sposób odkształcane są warstwy powierzchniowe pręta, a w inny sposób jego rdzeń. Z tego względu trzy przykładowe schematy podano dla warunków odkształcania rdzenia i trzy dla warunków odkształcania warstw przy powierzchni (tabl. 2) Po wykonaniu symulacji walcowania wszystkie próbki przecięto zgodnie z płaszczyzną prostopadłą do ich długości. Na powierzchniach przecięcia wykonano zgłady metalograficzne, które wytrawiono nitalem. Ujawnione w taki sposób mikrostruktury poddano obserwacjom pod mikroskopem optycznym przy powiększeniu 1000 razy. Dla każdej z próbek określono rodzaj Rys. 1. Schemat pobierania próbek do symulacji walcowania z płaskownika; 1 płaskownik, 2 próbka prostopadłościenna o wymiarach 10 15 20 mm Fig. 1. Diagram of sample drawing for flat bar rolling simulation; 1 flat bar, 2 sample with rectangular prism shaped sample, dimensions 10 15 20 mm Rys. 2. Schemat zmian temperatury podczas symulacji walcowania Fig. 2. Diagram of temperature variation during rolling simulation
80 Marcin Knapiński, Henryk Dyja, Marcin Kwapisz Prace IMŻ 1 (2010) uzyskanej struktury oraz oszacowano wielkości ziarna ferrytu. Pomiarów wielkości ziarna ferrytu dokonano metodą siecznych przypadkowo zorientowanych, wykorzystując w tym celu skalowane zdjęcia ujawnionych struktur. Ponadto wykorzystując empiryczne zależności [7, 8], przedstawione równaniami (1) w oparciu o pomiary twardości dokonano szacowania uzyskanej wartości granicy plastyczności (Re) i wytrzymałości na rozciąganie (Rm). Re = (HV/0,378) 123 Rm = (HV/0,352) + 70 (1) gdzie: HV twardość, Re granica plastyczności, Rm wytrzymałość na rozciąganie. Pomiarów twardości dokonano metodą Vickersa, przy obciążeniu 5kG (HV5). 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Na rysunkach 3 8 przedstawiono ujawnione mikrostruktury próbek po symulacjach walcowania zrealizo- Tablica 3. Wyniki symulacji walcowania prętów Table 3. Results of bars rolling simulation Twardość, HV5 Średnia wielkość ziarna Współczynnik kształtu ziarna Re Rm Nr Obszar pręta [-] [MPa] [MPa] [ m] [-] 1 170 327 553 6,50 0,892 2 Rdzeń 164 311 536 6,41 0,969 3 168 321 547 2,62 0,934 4 158 295 519 6,98 0,989 5 Powierzchnia 162 306 530 4,92 0,968 6 185 366 596 2,37 0,900 Rys. 3. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 1 (tabl. 2) Fig. 3. Microstructure of sample deformed according to diagram no. 1 (tab. 2) Rys. 4. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 2 (tab. 2) Fig. 4. Microstructure of sample deformed according to diagram no. 2 (tab. 2) Rys. 5. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 3 (tabl. 2) Fig. 5. Microstructure of sample deformed according to diagram no. 3 (tab. 2) Rys. 6. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 4 (tabl. 2) Fig. 6. Microstructure of sample deformed according to diagram no. 4 (tab. 2)
Prace IMŻ 1 (2010) Fizyczne symulacje procesu kontrolowanego walcowania prętów... 81 Rys. 7. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 5 (tabl. 2) Fig. 7. Microstructure of sample deformed according to diagram no. 5 (tab. 2) wanych zgodnie z planem przedstawionym w tablicy 2. Wszystkie zdjęcia struktur oznaczono odpowiednimi numerami eksperymentu, w wyniku którego uzyskano daną strukturę. Wszystkie uzyskane w wyniku odkształceń i przyspieszonego chłodzenia po ostatnim odkształceniu struktury są drobno lub superdrobnoziarnistymi strukturami ferrytyczno-perlitycznymi. W tablicy 3 zestawiono dla każdego eksperymentu zmierzoną wielkość ziarna ferrytu, współczynnik kształtu ziarna, zmierzoną twardość oraz szacowane wartości granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie. Analizując uzyskane wyniki eksperymentów można stwierdzić, w wyniku odkształceń zadanych zgodnie ze schematami 1 3, odpowiadającymi odkształceniom występującym w środkowej części pręta, niezależnie od temperatury końca walcowania uzyskano podobne twardości próbek. W przypadku schematów odkształceń 4 6, odpowiadających odkształceniom występującym w warstwach przy powierzchni pręta, obniżanie temperatury końca walcowania powodowało wzrost twardości materiału. Niezależnie od schematu odkształceń, obniżanie temperatury końca walcowania wpływa na uzyskiwanie struktur o zmniejszającej się wielkości ziarna ferrytu, co jest zasadniczym celem pracy. 4. PODSUMOWANIE Rys. 8. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 6 (tabl. 2) Fig. 8. Microstructure of sample deformed according to diagram no. 6 (tab. 2) Badania dla różnych schematów odkształcenia prowadzono zakładając różne spadki temperatury pomiędzy kolejnymi przepustami, w taki sposób, aby temperatura ostatniego odkształcenia była równa 850 C, 815 C i 780 C. Z tego względu temperatury początkowych odkształceń mieściły się w przedziale: 830 C do 955 C. Na podstawie wszystkich otrzymanych wyników prowadzonych eksperymentów stwierdzono, że wysoka temperatura początku odkształcania 955 C oraz końcowa temperatura 850 C, nie wpływa korzystnie na rozdrobnienie mikrostruktury badanej stali. Wielkości ziaren ferrytu uzyskiwane w takich warunkach wynosiły od 6,33 do 8,26 μm. Obniżenie początkowej temperatury do 900 C, przy zakończeniu serii odkształceń w temperaturze 850 o C wpłynęło na zmniejszenie średnicy ziarna ferrytu, która wynosiła wówczas: 5,34 5,61 μm. Dalsze obniżanie temperatury początku odkształcania i końcowej temperatury w kolejnych próbach wpłynęło korzystnie na rozdrobnienie ziarna ferrytu. Najmniejsze ziarno o wielkości poniżej 3 μm uzyskano w próbkach odkształcanych przy temperaturze początkowej 885 C i temperaturze końcowej 780. Równie małą wielkość ziarna ferrytu (2,62 μm) otrzymano w próbce, dla której temperatura początku odkształcenia była równa 830 C, a końca 780 C. Nieco większe ziarno (z przedziału 3 4 μm) otrzymano dla niektórych schematów odkształceń przy wyższej temperaturze początkowej i końcowej wynoszącej odpowiednio: 865 C i 815 C. Przedstawione wyniki stanowią tylko niewielki fragment badań stanowiących symulacje fizyczne procesów przeróbki cieplno-plastycznej stali superdrobnoziarnistych. Kompleksowe badania oprócz analizy schematów odkształcenia obejmują: analizę wpływu temperatury końca walcowania, prędkości odkształcenia, szybkości chłodzenia materiału po odkształceniu, czasu przerwy pomiędzy ostatnim odkształceniem i rozpoczęciem przyspieszonego chłodzenia oraz temperatury końca przyspieszonego chłodzenia. Przeprowadzenie symulacji fizycznych uwzględniających wszystkie wymienione czynniki umożliwi określenie optymalnych parametrów obróbki cieplno-plastycznej badanej stali, przy których możliwe będzie uzyskanie zamierzonej struktury ferrytycznej o wielkości ziarna około 2 μm z wydzieleniami perlitu i/lub bainitu. Publikacja opracowana na podstawie pracy wykonanej w projekcie badawczym rozwojowym nr N R07 0008 04 pt. Opracowanie podstaw przemysłowych technologii kształtowania struktury i właściwości wyrobów z metali i stopów z wykorzystaniem symulacji fizycznej i numerycznej dofinansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, realizowanym przez Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica w Gliwicach (koordynator), Akademię Górniczo-Hutniczą, Politechnikę Częstochowską, Politechnikę Śląską i Politechnikę Warszawską.
82 Marcin Knapiński, Henryk Dyja, Marcin Kwapisz Prace IMŻ 1 (2010) LITERATURA 1. Etou M., Fukushima S., Sasaki T., Haraguchi Y., Miyata K., Wakita M., Tomida T., Imai N., Yoshida M. and Okada Y.: Super Short Interval Multi-pass Rolling Process for Ultrafinegrained Hot Strip, ISIJ International Vol. 48 (2008), No. 8, pp. 1142-1147 2. Tomida T., Imai N., Miyata K., Fukushima S., Yoshida M., Wakita M., Etou M., Sasaki T., Haraguchi Y., Okada Y.: Grain Refinement of C Mn Steel to 1 μm by Rapid Cooling and Short Interval Multi-pass Hot Rolling in Stable Austenite Region, ISIJ International Vol. 48 (2008), No. 8,pp.1148-1157 3. Knapiński M., Kwapisz M., Frączek T.: Fizyczne symulacje procesu walcowania blach grubych z superdrobnoziarnistej stali konstrukcyjnej, FIMM2009, Fizyczne i matematyczne modelowanie procesów obróbki plastycznej, Prace Naukowe, Mechanika, z.226, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009, ISSN 0137-2335, s. 117-122 4. Markowski J., Knapiński M., Koczurkiewicz B., Frączek T.: Walcowanie normalizujące blach grubych ze stali w gatunkach S355J2G3, GL-E36 i S460NL1, Hutnik Wiadomości Hutnicze 2007 nr 6, ISSN 1230-3534, s.296-300 5. Markowski J., Knapiński M., Dyja H.: The effect of the conditions of the thermo-mechanical treatement on the struc- 6. 7. 8. ture of S460NL1 steel, Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов, Труды международной научно-технической конференции, Санкт- Петербург Издательство Политехнического университета 2007, ISBN 5-7422-1603-3, pp. 154-160 Knapiński M.: Modelowanie mikrostruktury blach grubych ze stali S355J2G3 w procesie walcowania, Metalurgia 2009, Nowe technologie i osiągnięcia, Monografia zbiorowa pod redakcją Henryka Dyi, Seria: Monografie nr1, Częstochowa 2009, ISBN 978-83-87745-13-4, ISSN 2080-2072, s. 33-52 Koczurkiewicz B., Korczak P., Dyja H.: The analisis of the technological parameters of the rolling process over the structure and mechanical properties of the steel plate. Metal 2000, 9 th International Metallurgical Conference. Ostrawa, Czech Republic Koczurkiewicz B., Dyja H., Korczak P.: Analiza pola temperaturowego przy chłodzeniu kształtowników. Materiały konferencji Problemy metaloznawstwa w XXI w. Cedzynia/k. Kielc 2000 Recenzent: Prof. dr hab. inż. Maciej Pietrzyk