CZ2010554A3

CZ2010554A3 - Zpusob žíhání ocelového polotovaru

Info

Publication number: CZ2010554A3
Application number: CZ20100554A
Authority: CZ
Inventors: Hauserová@Daniela; Nový@Zbyšek; Dlouhý@Jaromír
Original assignee: Comtes Fht A.S.
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2011-08-31
Also published as: CZ302676B6

Abstract

Pri casove úsporném zpusobu žíhání ocelového polotovaru, jehož cílem je získat definovaným zpusobem vyžíhanou ocel s príznivou morfologií karbidu ve feritické matrice, se ocelový polotovar podrobí základnímu ohrevu rychlostí vyšší než 10 .degree.C/s na teplotu v intervalu 650 až 900 .degree.C v celém prurezu, následne se ochladí maximálne o 200 .degree.C rychlostí vyšší než 0,5 .degree.C/s, což se provede alespon dvakrát, nacež se ochladí rychlostí vyšší než 0,5 .degree.C/s.

Description

Způsob žíhání ocelového polotovaru

Oblast techniky

Vynálezem je energeticky a časově úsporný způsob žíhání ocelového polotovaru pro vytvoření mikrostruktury a vlastností na měkko vyžíhaného materiálu nebo mikrostruktury s vlastností rekrystalizačně nebo jinak specificky vyžíhaného materiálu.

Dosavadní stav techniky

Známé způsoby žíhání na měkko nebo žíhání rekrystalizačního jsou prováděny v pecích, ať průběžných či komorových, ve kterých ocelové polotovary setrvávají několik desítek minut až hodin, a to v závislosti na velikosti. Žíhání je běžně prováděno ohřevem těsně pod teplotu A_C1 s různě dlouhou prodlevou, po které následuje pomalé ochlazování na pokojovou teplotu. Během procesu žíhání dochází v mikrostruktuře k odpevňovacímu procesu a probíhají rekry stali začni procesy. Obvykle se mění i morfologie karbidů. Klesá pevnost a tvrdost ocelového polotovaru, naopak stoupá jeho tažnost a obnovují se plastické vlastnosti.

Proces žíhání je možno zrychlit kolísáním teploty kolem teploty Aci. Dostupné literární zdroje však i zde předpokládají i několikahodinový cyklus. Rovněž je možné žíhat nad teplotu A_Ci a následně pomalu ochlazovat. Tímto způsobem lze proces žíhání na měkko zkrátit, řádově zůstává několikahodinový. Tento postup austenitizace perlitu s omezenou homogenizací austenitu zajišťuje dostatečné množství zárodků, ze kterých ochlazováním vznikají jemné globulámí karbidy, které přispívají k lepší tvařitelnosti materiálu. Následně se ocelový polotovar plynule ochlazuje, což je zárukou získání jemného globulámího perlitu. Sťeroidizovaná struktura je spojena s poklesem tvrdosti a pevnosti vlastností materiálu. Na tento pokles mají vedle sferoidizace karbidů vliv rovněž odpevňovací procesy ve feritické matrici.

Ve způsobu tepelného zpracování popsaném v patentu US 6,190,472 je žíhání vysokouhlíkové oceli realizováno ohřevem na teplotu A_C1- 20*’C nebo i vyšší s následným rychlým ochlazením pod teplotu A_Ci . Dalším krokem je ohřev na teplotu A_cl + 20°C nebo vyšší s následným ochlazením na 69Q°C rychlostí 3,5^?C/min. nebo menší na pokojovou teplotu. Tento postup výrazně zkracuje dobu žíhání a byl ověřen při tepelném zpracování trubek v průběžné žíhací pecí.

Obdobně je popsáno urychlení sferoidizace karbidů u ložiskové y V vysokouhlíkové oceli legované chromém ve spisu JP 04jl03j715. Tepelné zpracování se skládá z ohřevu na teplotu 780 až 820fC a následného ochlazení pod teplotu Aci rychlostí nižší než 200°C/hfc4. Dále následuje ohřev na teplotu v rozmezí A_Ci až A_C1 4- 40PC, ochlazení pod teplotu A_Ci rychlostí nižší než

A

2OO£C/h04, ohřev na teplotu Ao až A_C14· 40?C a ochlazení pod teplotu Aci t » *>

rychlostí menší než 75°C/h^|.

Výše popsané způsoby žíhání, ph kterých se dosáhlo požadované sferoidizace karbidů jsou energeticky náročné, protože vyžadují delší setrvání na teplotě prvotního ohřevu.

Další popsané způsoby, jejichž výsledkem je rovněž sferoidizace karbidů spočívají rovněž v ohřevu, po kterém ale následuje plastická deformace. I zde se dosahuje požadované sferoidizace karbidů avšak za současného přetváření, což nemusí být pro každý polotovar možné.

Zrychlení sferoidizace plastickou deformací je popsáno v Materials Science and Engineering A 432 (2006) „Effect of deformation on the evolution of spheroidization for the ultra high carbon steel“, str.324 až 332. U vysokouhlíkové oceli (l,l%Mn, 0,7%Mn) byl proveden ohřev rychlostí 10°C/s na teplotu 1150°C s výdrží 1 minuty, dále ochlazení na 700^QC rychlostí 20°C/s a na této teplotě byla provedena deformace s různou intenzitou. Nej lepší výsledky byly dosaženy při pěchování válcového vzorku o průměru lOmm a výšky 15mm na 40% výšky. Po deformaci následovalo ochlazení 0,2°C/s. Bylo dosaženo struktury složené z feritické matrice a rovnoměrně rozmístěných globulámich karbidů.

Termomechanické zpracování uhlíkové oceli s 0.67%C je popsáno v Materials Science and Engineering A 527 (2010), „Effect of deformation and annealing temperatures on ultrafine microstructura development...“, str.1926 až 1932. Režim zpracování sestává ze dvou ohřevů na teplotu 600fC. Ohřev i ochlazování vždy probíhá rychlostí 5°C/min. Na vzorcích o rozměrech 5 x 5 x • λ

Oinm byl proveden první ohřev na teplotu 600°C s následnou výdrží 1 Oínin a nominální deformací 0,7. Po výdrži 1 minuta následovalo ochlazení na /pokejevetf teplotu Λ Druhý ohřev na 600|^oC proběhl bez vložení deformace ^Λ ;nt í íno < b í.

s výdrží 12 minut a s následným ochlazením na /pokojovou teplotu/ Bylo dosaženo struktury složené z rovnoměrně rozptýlených globulámich karbidů ve feritické matrici.

Technologie umožňující rychlou sferoidizaci karbidů je popsaná v patentu CZ 301^718. Tento proces je založen na ohřevu ocelového polotovaru maximálně na teplotu A_Ci , po kterém následuje mechanické tváření a ochlazení ocelového polotovaru. Tímto postupem dojde k dokonalé sferoidizaci karbidů. Celý proces je velmi krátký a sferoidizace karbidů je progresivní. Společným nedostatkem je rovněž nutnost zařazení procesu deformace jako nezbytné operace pro získání požadované struktury do technologického řetězce. Deformaci je přitom nutno provádět v nestandardním intervalu teplot.

Podstata vynálezu

Vynálezem je způsob žíhání ocelového polotovaru, jehož cílem je získat definovaným způsobem vyžíhanou ocel s příznivou morfologií karbidů ve feritické matrici. Ocelový polotovar se podrobí základnímu ohřevu rychlostí vyšší než 10°C/s na teplotu v intervalu 650° až 900°C v celém průřezu. Následně se ochladí maximálně o 200 °C rychlostí vyšší než 0.5°C/s, což se provede alespoň dvakrát, načež se ochladí rychlostí vyšší než 0.5°C/s. Takto se dosáhne mikrostrukturního stavu a mechanických vlastností, které jsou požadovány po žíhání na měkko nebo po rekrystalizačním žíhání nebo po jiném, například normalizačním žíhání. Takto tepelně zpracovaný ocelový polotovar se buď ochladí na pokojovou teplotu, nebo se provede ochlazení na teplotu nižší než 750?C, načež se ohřeje rychlostí vyšší než KÍC/s na teplotu maximálně 900 °C , což se provede alespoň jednou, s následným ochlazením naTpokejevoiVteplotu wcbwíta rychlostí vyšší než 0_f5?C/s.

• i

Bylo shledáno, že k dosažení požadovaných vlastností ocelového polotovaru je vhodné, když základnímu ohřevu předchází ohřev ocelového polotovaru rychlostí vyšší než 10fC/s na teplotu v intervalu 650^ až 90C^C v celém průřezu s následným ochlazením maximálně na teplotu okolí rychlostí vyšší než 0.5fC/s. Rovněž je pro některé materiály vhodné, když ohřev ocelového polotovaru rychlostí vyšší než lO^C/s na teplotu v intervalu 650^9, až

900i°C v celém průřezu, který předchází základnímu ohřevu, je proveden s prodlevou.

.'PepiW obrázků na výkresem?

Na obr.1 je diagram znázorňující způsob žíhání ocelového polotovaru, který se podrobil základnímu ohřevu na teplotu 740í°C v celém průřezu s meziochlazením na 680fC opakovaně, obr.2 znázorňuje způsob žíhání ocelového polotovaru, který se podrobil základnímu ohřevu na teplotu 720?C v celém průřezu s meziochlazením na 680^C opakovaně, na obr.3 je znázorněn diagram způsobu žíhání, kde první ohřev ocelového polotovaru je na teplotu 830°C v celém průřezu s následným meziochlazením na 800°C opakovaně, po kterém následuje po ochlazení na teplotu 650°C opakovaný ohřev na teplotu 740°C, na obr.4 je znázorněn způsob žíhání obdobně jako na obr.3, ale na teplotě 900°C je ohřev předcházející základnímu ohřevu proveden s prodlevou, na obr.5 je znázorněn způsob žíhání, u kterého se plynule přechází z jednoho ohřevu na 830°C do druhého základního ohřevu znázorněného na obr.1. Na obr.6 je znázorněn diagram způsobu žíhání, kde první ohřev ocelového polotovaru je na teplotu 890°C v celém průřezu s následným ochlazením na 875°C opakovaně, po kterém následuje po ochlazení na teplotu 35O°C a dále pak opakovaný ohřev na teplotu 740°C s následným ochlazením na vzduchu.

Příklady provedení ?γηα<ι·*<·<.

Příklad 1

Tyčový polotovar tvářený za studená o průměru 15 mm z ocele o chemickém složení C 0,12,% hmotnostních, Mn 0,39i% hmotnostních, Si 0,09 % hmotnostních, P 0,011;% hmotnostních, S0,01% hmotnostních, Cr 0,02% hmotnostních, Ni 0,0 li% hmotnostních, Cu 0,02% hmotnostních, N₂ 0,006%

A 3 S hmotnostních. Jeho vrubová houževnatost KCV mini = 64J/cm² , smluvní mez kluzu Rpo,2 ⁼ 570 MPa, mez pevnosti Rm = 599 MPa, tažnost A₅ = 13,5%, tvrdost 180 HV30. Ocelový polotovar se pomocí indukce ohřál na teplotu 74Q°C během 9 sekund, jak znázorňuje obr.1, načež se volně ochladil na teplotu 680j°C. Tento cyklus se opakoval třikrát a následně se ocelový polotovar volně ochladil na vzduchu. Tímto postupem došlo ke sferoidizaci perlitických lamelámích kolonií na globulámí karbidy a dosáhlo se následujících mechanických hodnot, houževnatost KCV mini = lOlJ/cm , spodní mez kluzu R_eL - 239 MPa, homí mez kluzu R_eH = 269 MPa, mez pevnosti R_m = 391 MPa, tažnost A₅ = 40% a tvrdost činí 102 HV30.

Příklad 2

Plech válcovaný za studená o tloušťce 0,6mm, o chemickém složení C 0,042% hmotnostních, Mn 0,202% hmotnostních, Si 0,004 % hmotnostních,

P 0,005% hmotnostních, S 0,009% hmotnostních. Smluvní mez kluzu v podélném směru R_po.2⁼632MPa, v příčném směru Rpo.2^661 MPa, mez pevnosti v podélném směru R_m=652 MPa, v příčném směru R_m=700 MPa, tažnost v podélném směru A₅₀=3,l%, v příčném směru A₅o=2,5% a tvrdost 204HV1. Indukčním ohřevem, jak znázorňuje obr.2, se ocelový polotovar ohřál na teplotu 720°C za 6 sekund. Následně nastalo ochlazení na teplotu 680/C za tři sekundy. Poté byl polotovar znovu ohřát na teplotu 72(TC za tři sekundy a tento cyklus se následně ještě dvakrát opakoval. Tímto postupem došlo k rekrystalizaci feritického zrna a ke sferoidizaci perlitických lamelámích kolonií na globulámí. Smluvní mez kluzu v příčném směru válcování dosáhla R_po,2=329 MPa, mez pevnosti v příčném směru R_m=349 MPa, tažnost v příčném směru A_5O=39Í% a tvrdost činila 105HV1.

Příklad 3

Tyčový polotovar tvářený za tepla o průměru 15 mm, a je o chemickém složení C 0,47;% hmotnostních, Μη 0,708ώ hmotnostních, Si 0,23 % hmotnostních, P 0,026% hmotnostních, S 0,017% hmotnostních, Cr 0,07%

S S η hmotnostních, Ni 0,02°/o hmotnostních, Mo < - hmotnostních o těchto mechanických vlastnostech. Vrubová houževnatost KCV mini 37J/cm², smluvní mez kluzu Rpo,₂ = 309 MPa, mez pevnosti R_m = 642 MPa, tažnost A₅ = 27%, tvrdost 178 HV30. Ocelový polotovar se pomocí indukce ohřál na teplotu 830°C během 14 sekund, což znázorňuje obr.3, načež se ochladil na teplotu 800°C za 5 sekund a tento cyklus se celkem provedl třikrát. Následně se ocelový polotovar volně ochladil na vzduchu na teplotu 65O°C. Poté následoval ohřev na teplotu 740°C za 1 sekundu a ochlazení na teplotu 680°C za 12 sekund a následný ohřev rovněž na teplotu 74O°C za l sekundu. Následovalo ochlazení na vzduchu na , <jí i > < ;íi , /pokojovou/ teplotu,'Tímto postupem se dosáhlo zjemnění feritického zrna z průměrné velikosti zrna 30 'pnů.na 10 pm a částečné sferoidizace perlitických lamel do globulámí formy. Bylo dosaženo následujících mechanických hodnot, •7 houževnatost KCV mini 59J/cm , smluvní mez kluzu R_{p0 2} = 433 MPa, přičemž spodní mez kluzu R_cL=431 MPa, horní mez kluzu R_eH = 461 MPa, mez pevnosti R_m = 666 MPa, tažnost A₅ = 30%, tvrdost 182 HV30.

Λ

Příklad 4

Tyčový polotovar tvářený za tepla o průměru 15mm z ocele o chemickém složení C 0,47 % hmotnostních, Mn 0,70 % hmotnostních, Si 0,23 % hmotnostních, P 0,026 % hmotnostních, S 0,017 % hmotnostních, Cr 0,07 % hmotnostních, Ni 0,02 % hmotnostních, Mo 0,007 % hmotnostních o mechanických vlastnostech: vrubová houževnatost KCV mini 37 J/cm2 , smluvní mez kluzu Rp0,2 = 309 MPa, mez pevnosti Rm = 642 MPa, tažnost A5= 27 % , tvrdost 178HV30. Polotovar byl podroben indukčnímu ohřevu na teplotu 830°C za 14 sekund, poté byla provedena 15 sekund prodleva na této teplotě, jak znázorňuje obrázek 4. Dále následovalo ochlazení na vzduchu na teplotu 650£C a poté ohřev na teplotu 740|°C za 1 sekundu a ochlazení na teplotu 680í°C za 12 sekund a poté opět ohřev na teplotu 740°C za 1 sekundu. Následné ochlazení na /pokojovou/ teplotu¹bylo provedeno na vzduchu. Tímto postupem bylo dosaženo zjemnění feritického zrna z průměrné velikosti zrna 30 „Um-jna 10 μιη a částečné sferoidizaci perlitických lamel do globulámí formy. Bylo dosaženo následujících mechanických vlastností zpracovaného materiálu: vrubová houževnatost KCV mini 61 J/cm2, smluvní mez kluzu Rp0,2 = 429MPa, spodní mez kluzu ReL = 426 MPa a horní mez kluzu ReH = 458ÍMPa, mez pevnosti Rm = 670 MPa. Tažnost A5 = 31% a tvrdost 181HV30.

Příklad 5

Tyčový polotovar tvářený za tepla o průměru 15mm z ocele o chemickém složení C 0,47 % hmotnostních, Mn 0,70 % hmotnostních, Si 0,23 % hmotnostních, P 0,026 % hmotnostních, S 0,017 % hmotnostních, Cr 0,07 % hmotnostních, Ni 0,02 % hmotnostních, Mo 0,007 % hmotnostních o mechanických vlastnostech: vrubová houževnatost KCV mini 37 J7cm2 ,

J * *

I I » <

smluvní mez kluzu Rp0,2 = 309 MPa, mez pevnosti Rm = 642 MPa, tažnost A5= 27 % , tvrdost 178HV30. Polotovar byl podroben indukčnímu ohřevu na teplotu 83O°C za 14 sekund, jak zobrazuje obrázek 5. Pak následovalo ochlazení na vzduchu na teplotu 650°C a následně ohřev na teplotu 74(>°C za 1 sekundu a ochlazení na teplotu 68O°C za 12 sekund a poté opět ohřev na teplotu 74Q°C za ίΤΤίΧ'ΐζ’Ο ;· r/ sekundu. Ochlazení na/pokojovou teplotui bylo provedeno na vzduchu. Tímto postupem bylo dosaženo zjemnění feritického zrna z průměrné velikosti zrna 30 ;pml,na 17 pm a částečné sferoidizaci perlitických lamel do globulámí formy. Bylo dosaženo následujících mechanických vlastností zpracovaného materiálu: vrubová houževnatost KCV mini 47 J/cm2, smluvní mez kluzu Rp0,2 = 382MPa, spodní mez kluzu ReL = 374 MPa a horní mez kluzu ReH = 389MPa, mez pevnosti Rm = 651 MPa. Tažnost A5 = 33% a tvrdost 179HV30.

Příklad 6

Tyčový polotovar tvářený za studená o průměru 15mm z ocele o chemickém složení C 0,12 % hmotnostních, Mn 0,39 % hmotnostních , Si 0,09 % hmotnostních, P 0,011 % hmotnostních , S 0,010 % hmotnostních, Cr 0,02 % hmotnostních, Ni 0,01 % hmotnostních, Cu 0,02 % hmotnostních, N2 0,006 % hmotnostních o mechanických vlastnostech: vrubová houževnatost KCV mini 64 J/cm2 , smluvní mez kluzu Rp0,2 = 570 MPa, mez pevnosti Rm = 599 MPa, tažnost A5= 13,5 % , tvrdost 180HV30. Polotovar se pomocí indukce ohřeje na teplotu 890°C během 16 sekund, jak zobrazuje obrázek 6. Pak se volně se ochladí na teplotu 875°C za 3 sekundy, dále se opět ohřeje na teplotu 890°C, ochladí na teplotu 875°C, popř. se tento cyklus vícekrát opakuje. Poté se polotovar volně ochladí na vzduchu na teplotu 350°C. Dále se pomocí indukce vzorek ohřeje na teplotu 740°C během 5 sekund, volně se ochladí na teplotu 680°C za 3 sekundy, dále se opět ohřeje na teplotu 740°C, ochladí na teplotu

I I i \ ' ' ¹ , > ;· » * ‘ ’

68Q°C. Tento cyklus ohřevu a ochlazení mezi teplotami 680^ a 740°C se může pro větší účinnost procesu provést vícekrát. Poté se polotovar volně ochladí na vzduchu. Tímto postupem došlo k částečné sferoidizaci perlitických lamel a zjemnění feritického zrna. Dosažené vlastnosti zpracovaného materiálu: Vrubová houževnatost K.CV mini 95 J/cm2, spodní mez kluzu ReL = 280 MPa, horní mez kluzu ReH = 292 MPa, mez pevnosti Rm = 420 MPa, tažnost A5= 42 %, tvrdost 113HV30.

Claims

Patentové nároky

1. Způsob žíhání ocelového polotovaru, vyznačující se tím, že se ocelový polotovar podrobí základnímu ohřevu rychlostí vyšší než lO°C/s na teplotu v intervalu 650° až 900?C v celém průřezu následně se ochladí maximálně o 200 °C rychlostí vyšší než 0.5fC/s, což se provede alespoň dvakrát, načež se ochladí rychlostí vyšší než 0.5|°C/s.

X
2. Způsob žíhání ocelového polotovaru podle nároku 1, vyznačující se tím, Že ochlazení se provede na^okejovoiyteplotu^^ffíztof
3. Způsob žíhání ocelového polotovaru podle nároku 1, vyznačující se tím, Že ochlazení se provede na teplotu nižší než 750fC, načež se ohřeje rychlostí vyšší než 10^C/s na teplotu maximálně 900 °C , což se provede li ίηοζίΐ' alespoň jednou, s následným ochlazením na pokojovou/ teplotuířychlostí vyšší než 0,5°C/s.

. X
4. Způsob žíhání ocelového polotovaru podle nároků 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že základnímu ohřevu předchází ohřev ocelového polotovaru rychlostí vyšší než lOfC/s na teplotu v intervalu 650* až 900PC v celém průřezu s následným ochlazením maximálně na teplotu okolí rychlostí vyšší než 0.5°C/s.

¹ Λ
5. Způsob žíhání ocelového polotovaru podle nároku 4, vyznačující se tím, že ohřev ocelového polotovaru rychlostí vyšší než 10⁹C/s na teplotu v intervalu 650^a až 900°C v celém průřezu je proveden s prodlevou.