CS199613B2 - Process for thermal treatment of hot rolling steal bars - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu tepelného zpracování ocelových tyčí válcovaných za tepla, zejména tyčí z nízkolegovaných ocelí s obsahem uhlíku pod 0,4 %, při kterém se ocelová tyč ochlazuje z teploty přeměny Аз na teplotu pod 049 °C v časovém rozmezí 2,5i až 15 minut.

Ocelový drát se vyrábí v širokém rozsahu velikostí, tvarů a mechanických vlastností pro nespočetná konečná použití. Ať je ta'kokové použití však jakékoliv, vyrábějí se všechny tyto dráhy v zásadě stejným způsobem, totiž tím, že se protahuje tyč sbíhavým otovrem nebo řadou takových otvorů. Před tímto tažením je však, zejeména v závislosti na obsahu uhlíku, ocelová tyč tepelně zpracovávána za účelem vytvoření podstatně rozdílných metalurgických struktur. Je-li tedy obsah uhlíku v ocelové tyči nebo drátu vyšší než asi 0,4 %, je obvykle žádoucí získat strukturu, která má optimální kombinaci pevnosti v tahu a tažnosti. Taková struktura může být vyvolána opětným zahříváním, které je známo jako ,,patentování“ nebo přímým chlazením z teploty ležící nad bodem Аз přeměny za použití postupu popsaného- například v německém patentním spisu 888 399 nebo USA pat. spisu 3 231 432. Výsledná struktura uděluje ocelové tyči nebo drátu schopnost vydržet prudké zužo199613 vání, aby se dostal hotový drát s optimální pevností a houževnatostí. Když na druhé straně jsou výrobky určené pro konečné užití zhotoveny a ocelové tyče s nízkým a průměrným obsahem uhlíku, tj. z ocelové tyče s méně než 0,4 hmot. % C, je třeba sáhnout ke zcela jiným úvahám. Například bude záležet na vlastnostech při zpracování za studená, když se ocelové tyče s nízkým obsahem uhlíku použije pro výrobu hřebíků. Podobně při výrobě svorníků nebo šroubů bude záležet hlavně na obrobitelnosti.

Proto je při výrobě ocelové tyče s nízkým obsahem uhlíku žádoucí, aby ocelová tyč byla poměrně v měkkém stavu a měla metalurgickou strukturu, která se blíží tak zvané „vyžíhané“ struktuře. S ohledem na mechanické vlastnosti je žádoucí obdržet metalurgickou strukturu, která se dá snadno zpracovávat za studená, tj. projevuje se nízkou konvenční mezí průtažnosti, v kombinaci se strukturou, která má značnou schopnost přijmout tuto deformaci a podržet ji, což znamená nízký poměr konvenční meze průtažnosti k mezi pevnosti v tahu. U uvažovaných ocelí s nízkým obsahem uhlíku jsou tyto vlastnosti řízeny do značné míry vlastnostmi ferritové základní hmoty a zejména velikostí ferritových zrn. Při po199613 stupu pro maximalizování velikosti ferritových zrn bude poměrně dlouhé, např. delší než 12 hodin, isotermické tepelné zpracování při teplotě v blízkosti teploty Ai. rekrystalizace. Takový postup vytvoří maximální množství ferritu v kombinaci s dostatečnou dobou pro růst zrn. I když tento postup by mohl být snadno prováděn laboratorně, bylo by použití takových dlouhých časových období zřejmě nepraktické pro průmyslovou výrobu; zejména to platí pro plynulé řadové zpracovávání ocelových tyčí válcovaných za tepla.

Uvažujme například průmyslovou zpracovávací linku, například podle US pat. spisu č. 3 645 805, u které se ocelová tyč válcovaná za tepla nejdříve ochladí na nějakou teplotu nad bodem přeměny Аз a pak se uloží v nesoustředných přesazených kroužcích na pohybující se dopravník, kde může být ocelová tyč chlazena nejrůznějšími způsoby, aby se dostal konečný výrobek s přijatelně rovnoměrnou strukturou podél celé délky ocelové tyče. Takové dopravníky jsou zásobovány ocelovými tyčemi vycházejícími z rychloběžných válcovacích stolic. Vzhledem к tomu musí tyto dopravníky za účelem zabránění nakupení nebo ucpání postupovat minimálními rychlostmi, řádově 3 m/min. Je zřejmé, že i když má dopravník délku 30 metrů, bude maximálně přípustná doba zpracovávání pouze 10 minut. Je ovšem možné zvýšit poněkud délku dopravníku nebo užít poněkud pomalejší rychlosti linky. Avšak pro praktické účely budou doby tepelného zpracovávání v průmyslové praxi obvykle omezeny na časové období nejvýše asi 15 minut a ještě častěji na časové období nejvýše 10 minut.

Podstata způsobu tepelného zpracování ocelových tyčí ve shora uvedeném časovém období 2,5 až 15 minut podle vynálezu spočívá v tom, že se provádí přerušené chlazení, přičemž se ocelová tyč ochladí z teploty přeměny Аз na teplotu prodlevy v teplotním rozmezí T_p + 19,8 °C a tyč se v tomto teplotním rozmezí drží po dobu dvou až patnácti minut, přičemž teplotní rozmezí T_p je určeno obsahem uhlíku C podle následujícího vzorce:

(C < 0,28 °/o) T_p = (862,8 °C—500 .% C) °C (C > 0,20 %) T_D = Ai—39 °C, kde značí Ai teplotu rekrystalizace, a potom se ocelová tyč ochladí na teplotu místnosti. Výhodou tepelného zpracování podle vynálezu je, že ocelové tyče mají jednak nízkou mez průtažnosti a jednak nízký poměr meze průtažnosti к mezi pevnosti v tahu, a to ve vymezeném časovém období.

Přitom má tato ocelová tyč jevit uvedenou kombinaci vlastností rovnoměrně podél značných 9vých délek, tj. délek, pocházejících od sochorů s hmotností alespoň 220 kg a většinou větší než 450 kg.

Kromě toho· má toto tepelné zpracování ocelové tyče ve vymezeném časovém období vytvořit metalurgickou strukturu, která se blíží vyžíhané struktuře, tj. struktuře bez pnutí.

Další znaky a přednosti vynálezu vyplynou z následujícího popisu příkladů provedení v souvislosti s výkresy, kde na obr. 1 až 5 jsou grafy znázorňující účinek přerušovaného chlazení při různých teplotách na mechanické vlastnosti pěti vzorků ocelových tyčí, na obr. 6 je graf znázorňující účinek prodlevy na dané teplotě po dobu různých časových období na mechanické vlastnosti tyče z legované ocele, označené v tabulce I značkou 8637 a na obr. 7a až 7e jsou mikroisnímky metalurgických struktur vyplývajících z různých prodlev naznačených v obr. 6.

Bylo zjištěno, že při plynulém sériovém zpracování ocelových tyčí válcovaných za horka nízko legovaných, a s nízkým obsahem uhlíku, kdy taková tyč musí být tepelně zpracována ve vymezeném časovém období, tj. maximálně časovém období pro dosažení obchodně přijatelné výroby, lze dosáhnout účelu podle vynálezu použitím přerušovaného chladicího postupu. To znamená, že při chlazení tyče z teploty Аз na teplotu pod 650 °C se tyč udržuje v předepsaném teplotním rozmezí po dobu alespoň 2,0 minuty. Toto předepsané teplotní rozmezí kolísá ve značné míře, neboť záleží především na obsahu uhlíku v ocelové tyči a může být definováno následujícími rovnicemi, které byly stanoveny empiricky.

Když obsah uhlíku v ocelové tyči je menší než 0,28 %, pak předepsané teplotní rozmezí T_p je dáno vztahem

T_p -= (862,8 °C—500 . %C) °C, přičemž procento C je skutečný obsah uhlíku v oceli.

Když obsah uhlíku v ocelové tyči je v rozmezí 0,2 až 0,4 %, je předepsané teplotní rozmezí T_p dáno vztahem

T_D Ai—39 °C .

Pro většinu tyčí bude teplotní rozmezí T_p v tomto druhém případě přibližně 680 °C. Avšak v těch málo případech, kdy se užije ocelové tyče se značným množstvím legovacích prvků, na^př. Mn nebo Ni, pak předepsaná teplota prodlevy se bude měnit při změně teploty Ai rekrystalizace oceli. Kromě obyčejných ocelí s obsahem uhlíku jsou uvedené rovnice použitelné obdobným způsobem pro ocele nízkolegované, tj. pro ocele obsahující méně než asi úhrnem 3 % legoivacích prvků.

V obou případech je ocelová tyč udržována uvnitř teplotního rozmezí T_p '+ 19,4 st. Celsia, pro období alespoň 2 minuty.

Avšak účelná doba prodlevy uvnitř takového teplotního- rozmezí bude se do určité míry měnit, jak bude uvedeno níže, v závislosti na koncentraci legovacích prvků. Je zřejmé ze shora uvedených rovnic, že pro tyč s obsahem uhlíku v rozmezí 0,20 až 0,28 proč, existuje alternativa pokud jde o užití jednoho z předepsaných teplotních rozmezí. Příčina tohoto překrývání, jakož i kolísání teplotního rozmezí je podle předpokladu následující.

Příznivé účinky přerušeného chlazení podle vynálezu budou nyní doloženy několika příklady, při kterých ' bylo pět běžných dru hů ocelových tyčí rychle ochlazeno· s teploty 925 °C na různé vyznačené teploty, udržováno· na takové teplotě po dobu deseti minut a potom ochlazeno ve vermikulitu, aby byly napodobeny rychlosti chladnutí svazků tyčí složených z nesoustředných prstenců. Tato chladicí metoda byla zvolena proto, aby se překonaly změny chladicích rychlostí, ke kterým normálně dochází, když ocelová tyč se uvede do nesoustředných svazků a chladí vzduchem. Chemická složení ocelových tyčí v % hmotnostních jsou udána v tabulce I.

Tabulka I

Vzorek * oceli	Tavba č.	C	Nn	P	S	Si	Cu	Ni	Cr	Mo
10081]	Ν915Θ6	0·,07	0,38	0,009	0,008	0,022	—	—	—	—
10212)	L82441	0,21	0,50	0,009	0,020	0,008	0,011	0,006	0,006	0,004
1Ο382)	L811979	0,39	0,76	0,011	0,025	0,21	—	—	—	—
4Ο373)	L823362	0,38	0,82	0,012	0,023	0,23	—	—	—	0,23
86373)	A81376	0,35	0,80	0,015	0,018	0,20	—	0,47	0,47	0,20

1] neuklidněná ocel

2] ocel uklidněná křemíkem

3] ocel uklidněná křemíkem a hliníkem

Výsledné mechanické vlastnosti jsou znázorněny v obr. 1 až 5. Ve všech případech, je jasně zřetelný příznivý účinek prodlevy předepsaného teplotního rozmezí. Ocel 1020, která má ' mezilehlý čili průměrný obsah uhlíku jevila dvě „minima“ meze průtažnosti, jedno ve dvoufázovém rozsahu při teplotě asi 801,7 °C a druhé pod bodem přeměny Ai při teplotě 677,7 °C.

Vzhledem ke značně nižšímu poměru meze průtažnosti k mezi pevnosti v tahu u tyče udržované uvnitř dvoufázového rozhahu, je jasné, že prodleva při druhé z uvedených teploty je více žádoucí.

Pro ukázání účinku zvýšení doby prodlevy, v mezích vymezeného časového období, na předepsané teplotě, byly vzorky shora uvedených tyčí drženy na této teplotě v průběhu období dvou až deseti minut. Když předepsaná prodleva na teplotě je uvnitř dvoufázového rozsahu, ukázalo se, že doba pouze dvou minut postačí pro dosažení značného změkčení a že po asi 3 minutách při této teplotě nenastalo v podstatě žádné značnější zlepšení tohoto měknutí. Podobně se ukázalo, že období pouze dvě minuty je postačující pro obvyklou uhlíkatou ocel, označenou v tabulce I značkou 1038, udržovanou na teplotě 676,7 °C. Na druhé straně bylo pro . legované ocele zapotřebí delší doby než 5 minuit.

Obr. 6 znázorňuje účinek doby prodlevy na teplotě 676,7 °C na mechanické vlastnosti ocelové tyče 8637. Oobr. 7a· až 7e jsou mikrosnímky struktury ocelové tyče pro doby prodlevy znázorněné na obr. 6. Jelikož legovací obsah této ocele bude mít účinek snížení rychlosti přeměny, tj. posune počáteční a· koncové čáry diagramu isotermické přeměny doprava, očekávalo by se, že tato ocel bude vyžadovat poněkud delších dob, aby se dosáhlo žádaného snížení meze průtažnosti. Je však jasné, že určení minimální požadované doby prodlevy pro· jakoukoliv danou ocel může být dosaženo poměrně snadno jednoduchými isotermickými prodlevami při zvětšených časových obdobích, tj. jak je znázorněno v obr. 6. Obecně platí, že když teplotní · rozmezí Tn je pod teplotou Ai rekrystalizace, je žádoucí prodlévat po dostatečné časové období, aby se dosáhlo přeměny dostatečného množství austenitu a tedy podstatného snížení meze průtažnosti.

Postup přerušovaného chlazení podle vynálezu je použitelný pro každý z běžných postupů výroby ocelových tyčí. Prakticky u všech těchto postupů vystupuje tyč válcovaná za horka z válcovací stolice při teplotě přibližně 955· až 1040 °C, načež se ochladí na nižší teplotu pro další zpracování. Ve většině průmyslových postupů se potom ocelová tyč dodává do- navijáků, které ocelovou tyč svinou a uloží na plošinu v podobě navzájem se překrývajících prstenců, čímž se vytvoří svazek ocelových tyčí. Výsledné svazky se pak přesunou na pásový dopravník, kde jsou pomalu chlazeny, obvykle na vzduchu. Výhod daných vynálezem lze dosáhnout jednoduchým přizpůsobením shora uvedeného postupu. Například může být pásový dopravník (podle US pat. spisu č. 3 547 421) pokryt nebo zakryt izolovaným zařízením na způsob tunelu, aby se zabránilo ztrátě tepla, nebo se může přivá dět další teplo použitím elektrických nebo plynových hořáků. Avšak plný účinek vynálezu se nejvýhodněji realizuje použitím modernějších postupů, při kterých se ochlazená ocelová tyč ukládá na dopravník v podobě navzájem přesazených rozprostřených prstenců nebo· spirál, jako např. US pat. spisy č. 3 231 432 a 3 547 421. Tyto postupy mají tu přednost, že vytvářejí výrobek, který je rovnoměrněji zpracován teplem.

Podle vynálezu lze tedy výhodně postupovat takto: Ocelová tyč válcovaná za tepla se po· výstupu z hotovní stolice při teplotě v rozmezí 955 až 1040 °C rychle ochladí, například v obyčejné vodní komoře, na teplotu nad teplotním rozmezím T_D. Ochlazená ocelová tyč se pak vede do zavinovacího zařízení, které tyč tvaruje na řadu přesazených prstenců, které se uloží na dopravník za účelem vedení prstenců v podobě spirál řadou sálavých zahřátých pecí; polom se následující ochlazení ocelové tyče přeruší nebo dostatečně zpomalí v souhlasu se · způsobem podle vynálezu. Při ochlazování z teploty přeměny Аз na předepsaný teplotní rozsah, chladí se ocelová tyč s výhodou rychlostí přijatelnou pro dané pracovní podmínky. Pomalé chlazení na předepsané teplotní rozmezí bude spojeno s nepatrnou výhodou, že vyvolá malý vzrůst zrna.

Avšak když se pracuje uvnitř vymezeného časového období nanejvýše 15 minut, bude doba spotřebovaná při takovém pomalém chlazení využita mnohem účinněji, využije-li se jí pro držení ocelové tyče na nějaké teplotě uvnitř předepsaného rozmezí. Rychlost bude dostatečně velká, aby vedla k alespoň minimální době, tj. 2 minuty, uvnitř předepsaného rozmezí; kromě toho bude k dispozici dostatečně dlouhá doba, aby ocelová tyč . pak mohla být ochlazena s předepsaného rozmezí na reformovací teplotu. Je tedy zřejmé, že minimálně žádoucí rychlost chlazení od Аз na teplotu Tp bude řízena do značné míry jednak rozpětím poklesu teploty, tj. když teplotní rozmezí je ' pod teplotou rekrystalizace Ai, bude . minimální rychlost chlazení značně větší než pro případ, že teplota Tp je ve dvoufázové oblaisti, ' a kromě toho vymezeným časovým obdobím, ve kterém se pracuje, což znamená, že rychlost chlazení bude nutně značně větší pro vymezenou dobu 2,5 minuty na rozdíl od rychlosti chlazení pro vymezenou dobu 16 minut. Obecně platí, že chlazení z teploty Аз na teplotní rozmezí Tp bude se dít účelně průměrnou rychlostí, větší než 28 °C/ /min, když teplotní rozmezí Tp je ve dvoufázové oblasti, a rychleji než 60 °C/min, když teplotní rozmezí Tp je pod rekrystalizační teplotou Ai.

Ocelová tyč může být udržována uvnitř předepsaného teplotního rozmezí buď přiváděním sálavého tepla například elektrickými nebo plynovými hořáky, nebo použitím zahřívacího prostředí nuceně provádějícího přenos tepla. Podle US pat. spisu 3 547 421 je plynové zahřívání výhodné, jelikož je schopné výtvářet neokysličující atmosféru. I když taková ochranná atmosféra může být použita vzhledem k jejím známým výhodám, není to· v přítomném případě nutné. Ocelová tyč, která je ve tvaru spirály při výstupu z pecí provádějících zpomalené chlazení, se pak vede do chladicího pásma, kde se opět rychle chladí na reformovací teplotu, například 316 až 482 °C a přetvoří se do svazků. Přetvořené svazky se pak shromáždí a dopraví k dalšímu zpracování. Po přetváření je žádoucí, aby ocelová tyč byla chlazena co nejpomaleji. Ocelové tyče s nízkým obsahem uhlíku mají z pomalého chlazení tu výhodu, že může dojít k , přestárnutí, čímž ' se mohou dále snížit zbytkové účinky vyvolané tím, že v takových ocelích může probíhat nějaké stárnutí. Pokud jde o oceli s průměrným obsahem uhlíku, dává pomalé chlazení přídavnou dobu, ve které se jakýkoliv zbytkový austenit může dále přeměnit na poměrně měkčí výrobky. Pokud jde o obvyklé oceli, bude pomalé chlazení výhodné z obou . shora uvedených hledisek. Ve všech případech však má být chlazení dostatečně pomalé, aby se dosáhlo vytvoření nanejvýše nepatrného množství martensitu, tj. zabránilo se vytvoření takového množství martensitu, který by značně ovlivnil následující postupy tažení, například vážně zvýšil častost nebo frekvenci zlomů nebo přetržení, ke kterým dojde při takovém tažení. Nesmí také být vytvořeno takové množství martensitu, který by zhoršil vlastnosti taženého drátu, při jeho definitivním použití, například vyvolal jeho horší opracovatelnost.

Claims (1)

1. pRedmet vynalezu

   Způsob tepelného zpracování ocelových tyčí válcovaných za tepla, zejména tyčí z nízkolegovaných ocelí s obsahem uhlíku pod 0,4 %, při kterém se ocelová tyč ochlazuje z teploty přeměny Аз na teplotu pod 649 st. Celsia v časovém rozmezí 2,5 až 15 minut, vyznačující se tím, že se v tomto časovém období provádí přerušené chlazení, přičemž se ocelová tyč ochladí z teploty přeměny Аз na teplotu prodlevy v teplotním rozmezí Tn + 19,8 ^qC a ocelová tyč se v tomto teplotním rozmezí drží, po dobu dvou až patnácti minut, přičemž teplotní rozmezí T_p je určeno obsahem uhlíku podle následujícího vzorce:

   [C < 0,28 %] T_D = (862,8 °C—500 . °/o C) °C (C > 0,20 %] T_D = Ai—39 °C, kde značí Ai teplotu rekrystalizace, a potom se ocelová tyč ochladí na teplotu místnosti.