CZ302676B6

CZ302676B6 - Zpusob žíhání ocelového polotovaru

Info

Publication number: CZ302676B6
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: CZ2010554A3

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

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.

io

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 i? hodin, a to v závislosti na velikosti. Žíhání je běžně prováděno ohřevem těsně pod teplotu A_Ci s různě dlouhou prodlevou, po které následuje pomalé ochlazování na pokojovou teplotu. Během procesu žíhání dochází v mikrostruktuře k odpevňovacímu procesu a probíhají rekrystal izační 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 A_C1. 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 globulární karbidy, které přispívají k lepší tváříteInosti materiálu. Následně se ocelový polotovar plynule ochlazuje, což je zárukou získání jemného globulámího perlitu. Sferoidizovaná struktura je spojena s poklesem tvrdosti a pevnosti vlastností materiálu. Na tento pokles mají vedle sferoidizace karbidů vliv rovněž odpevňovací procesy ve ferítické matrici.

Ve způsobu tepelného zpracování popsaném v patentu US 6 190 472 je žíhání vysokouhlíkové oceli realizováno ohřevem na teplotu A_C) - 20 °C nebo i vyšší s následným rychlým ochlazením pod teplotu Aci * Dalším krokem je ohřev na teplotu Aci + 20 ⁽¹C nebo vyšší s následným ochlazením na 690 °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 peci.

Obdobně je popsáno urychlení sferoidizace karbidů u ložiskové vysokouhlíkové oceli legované chromém ve spisu JP 04 103 715. Tepelné zpracování se skládá z ohřevu na teplotu 780 až 820 °C a následného ochlazení pod teplotu A_Ci rychlostí nižší než 200 °C/h. Dále následuje ohřev na teplotu v rozmezí A_Cj až A_Ci + 40 °C, ochlazení pod teplotu A_Ci rychlostí nižší než 200 C/h, ohřev na teplotu Aci až Aci + 40 °C a ochlazení pod teplotu A_Ct rychlostí menší než 75 ^uC/h.

Výše popsané způsoby žíhání, při 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 sféro idizace 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 (1,1 % Mn, 0,7 % Mn) byl proveden ohřev rychlostí 10 C/s na teplotu 1150 ^ňC s výdrží 1 minuty, dále ochlazení na 700 °C rychlosti 20 °C/s a na této teplotě byla provedena deformace s různou intenzitou. Nej lepší výsledky byly dosaženy při pěchování válcového vzorku o průměru 10 mm a výšky 15 mm na 40% výšky. Po deformaci

- 1 CZ 302676 B6 následovalo ochlazení 0,2 °C/s. Bylo dosaženo struktury složené z feritické matrice a rovnoměrně rozmístěných globulárních karbidů.

Termomechanické zpracování uhlíkové oceli s 0,67 % C je popsáno v Materials Science and 5 Engineering Λ 527 (2010), „Effect of deformation and annealing temperatures on ultrafíne microslructura development...“, str. 1926 až 1932. Režim zpracování sestává ze dvou ohřevů na teplotu 600 C. Ohřev i ochlazování vždy probíhá rychlostí 5 ”C7rnin. Na vzorcích o rozměrech x 5 x 10 mm byl proveden první ohřev na teplotu 600 °C s následnou výdrží 10 min a nominální deformací 0,7. Po výdrži I minuta následovalo ochlazení na teplotu místnosti. Druhý ohřev na io 600 °C proběhl bez vložení deformace s výdrží 12 minut a s následným ochlazením na teplotu místnosti. Bylo dosaženo struktury složené z rovnoměrně rozptýlených globulárních karbidů ve feritické matrici.

Technologie umožňující rychlou sferoidizaci karbidů je popsaná v patentu CZ 301 718. Tento 15 proces je založen na ohřevu ocelového polotovaru maximálně na teplotu A_Cb 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 nestan2o dardním intervalu teplot.

Podstata vynálezu

Vynálezem je způsob žíhání ocelového polotovaru, jehož cílem je získat definovaným způsobem vy žíhanou ocel s příznivou morfologií karbidů ve feritické matrici. Ocelový polotovar se podrobí základnímu ohřevu rychlostí vyšší než IO°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, kteréjsou požadovány po žíhání na měkko nebo po rekrystalizačním žíhání nebo po jiném, například normalizačním žíhání. Takto tepelně zpracovaný ocelový polotovar se bud’ ochladí na pokojovou teplotu, nebo se provede ochlazení na teplotu nižší než 750 °C, načež se ohřeje rychlostí vyšší než 10 ^uC/s na teplotu maximálně 900 °C, což se provede alespoň jednou, s následným ochlazením na teplotu místnosti rychlostí vyšší než 0,5 °C/s.

Bylo shledáno, že k dosažení požadovaných vlastností ocelového polotovaru je vhodné, když základnímu ohřevu předchází ohřev ocelového polotovaru rychlostí vyšší než lO^C/s na teplotu v intervalu 650 až 900 °C v celém průřezu s následným ochlazením maximálně na teplotu okolí rychlostí vyšší než 0,5 °C/s. Rovněž je pro některé materiály vhodné, když ohřev ocelového polo40 tovaru rychlostí vyšší než 10°C/s na teplotu v intervalu 650 až 900 °C v celém průřezu, který předchází základnímu ohřevu, je proveden s prodlevou.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. I je diagram znázorňující způsob žíhání ocelového polotovaru, který se podrobil základnímu ohřevu na teplotu 740 °C v celém průřezu s meziochlazením na 680 °C 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 ^UC je ohřev předcházející základnímu ohřevu proveden s prodlevou, na obr.5 je znázorněn způsob žíhání, u kterého se plynule přechází zjednoho ohřevu na 830 °C do >5 druhého základního ohřevu znázorněného na obr.l. Na obr.6 je znázorněn diagram způsobu žíhá-2CZ 302676 B6 ní, 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 350 °C a dále pak opakovaný ohřev na teplotu 740 ^WC s následným ochlazením na vzduchu.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1 io

Tyčový polotovar tvářený za studená o průměru 15 mm z ocele o chemickém složení C 0,12 % hmotnostních, Mn 0,39% hmotnostních, Si 0,09% hmotnostních, P 0,011% hmotnostních, S 0,01 % hmotnostních, Cr 0,02 % hmotnostních, Ni 0,01 % hmotnostních, Cu 0,02 % hmotnostních, N₂ 0,006 % hmotnostních. Jeho vrubová houževnatost KCV mini = 64J/cm\ smluvní mez i? kluzu R_p0,2 = 570 MPa, mez pevnosti R_m = 599 MPa, tažnost A₅ - 13,5 %, tvrdost 180 HV30.

Ocelový polotovar se pomocí indukce ohřál na teplotu 740 °C během 9 sekund, jak znázorňuje obr.l, načež se volně ochladil na teplotu 680 °C. Tento cyklus se opakoval třikrát a následně se ocelový polotovar volně ochladil na vzduchu. Tímto postupem došlo ke sferoidizaci perlitických lamelárních kolonií na globulámí karbidy a dosáhlo se následujících mechanických hodnot, houževnatost KCV mini = 101J/cm², spodní mez kluzu R_eL = 239 MPa, horní mez kluzu R<.h 269 MPa, mez pevnosti R_m = 391 MPa, tažnost A₅ = 40 % a tvrdost činí 102 HV30.

Příklad 2

Plech válcovaný za studená o tloušťce 0.6 mm, 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_po2 = 632 MPa, v příčném směru R_p0,2 ⁼661 MPa, mez pevnosti v podélném směru R_m = 652 MPa, v příčném směru R_m = 700 MPa, tažnost v podélném směru A₅₀ = 3,1 %, v příčném směru A₅₀= 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 720 °C za tři sekundy a tento cyklus se následně ještě dvakrát opakoval. Tímto postupem došlo k rekrystalizací feritického zrna a ke sferoidizaci perlitických lamelárních kolonií na globu35 lární. Smluvní mez kluzu v příčném směru válcování dosáhla Rpo.2 = 329 MPa, mez pevnosti v příčném směru R_m = 349 MPa, tažnost v příčném směru A_;o = 39 % a tvrdost činila 105 HV1.

Příklad 3

Tyčový polotovar tvářený za tepla o průměru 15 mm, a je 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 těchto mechanických vlastnostech. Vrubová houževnatost KCV mini 37J/cm, smluvní mez kluzu R_p0,2 = 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 650 °C. Poté následoval ohřev na teplotu 740 °C za 1 sekundu a ochlazení na teplotu 680 ^ÚC za 12 sekund a následný ohřev rovněž na teplotu 740 °C za 1 sekundu. Následovalo ochlazení na vzduchu na teplotu místnoti. Tímto postupem se dosáhlo zjemnění feritického zrna z průměrné velikosti zrna 30 na 10 pm a částečné sferoídizace perlitických lamel do globulární formy. Bylo dosaženo následujících mechanických hodnot, houževnatost KCV mini 59J/cm², smluvní mez kluzu R_p02 = 433 MPa, přičemž spodní mez kluzu Re_L= 431 MPa, horní mez kluzu R_eH = 461 MPa, mez pev55 nosti R_m = 666 MPa, tažnost A₅ = 30 %, tvrdost 182 HV30.

-3 Q7. 302676 B6

Příklad 4 kýčový polotovar tvářený za tepla o průměru 15 mm z ocele o chemickém složení C 0,47% s hmotnostních, Mn 0,70% hmotnostních, Si 0,23% hmotnostních, P 0,026% hmotnostních,

S 0,017 % hmotnostních, Cr 0,07 % hmotnostních. Ní 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 178 HV30. Polotovar byl podroben indukčnímu ohřevu na teplotu 830 °C za 14 sekund, poté byla provedena io 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 I sekundu a ochlazení na teplotu

680 °C za 12 sekund a poté opět ohřev na teplotu 740 °C za 1 sekundu. Následné ochlazení na teplotu místnosti bylo provedeno na vzduchu. Tímto postupem bylo dosaženo zjemnění feritickélio zrna z průměrné velikosti zrna 30 na 10 pm a částečné sferoidizaci perlitických lamet do lí globulární formy. Bylo dosaženo následujících mechanických vlastností zpracovaného materiálu: vrubová houževnatost KCV mini 61 J/cm2, smluvní mez kluzu Rp0,2 = 429 MPa, spodní mez kluzu ReL = 426 MPa a horní mez kluzu ReH = 458 MPa, mez pevnosti Rm = 670 MPa. Tažnost

A5 = 31 % a tvrdost 181 HV30.

Příklad 5

Tyčový polotovar tvářený za tepla o průměru 15 mm 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 178 HV30. Polotovar byl podroben indukčnímu ohřevu na teplotu 830 °C za 14 sekund, jak zobrazuje obrázek 5. Pak následovalo ochlazení na vzduchu na teplotu 650 °C a následně ohřev na teplotu ío 740 °C za I sekundu a ochlazení na teplotu 680 °C za 12 sekund a poté opět ohřev na teplotu 740 °C za 1 sekundu. Ochlazení na teplotu místnosti bylo provedeno na vzduchu. Tímto postupem bylo dosaženo zjemnění feritiekého zrna z průměrné velikosti zrna 30 na 17 pm a částečné sferoidizaci perlitických lamel do globulární formy. Bylo dosaženo následujících mechanických vlastností zpracovaného materiálu: vrubová houževnatost KCV mini 47 J/cm2, smluvní mez klu35 zu Rp0,2 = 382 MPa, spodní mez kluzu ReL = 374 MPa a horní mez kluzu ReH = 389 MPa, mez pevnosti Rm - 651 MPa. Tažnost A5 = 33 % a tvrdost 179 HV30.

Příklad 6 tyčový polotovar tvářený za studená o průměru 15 mm 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 míní 64 J/cm2, smluvní mez kluzu Rp0,2 = 570 MPa, mez pevnosti Rm - 599 MPa, tažnost A513,5 %, tvrdost 180 HV30. 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 680 °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 feritiekého zrna. Dosažené vlastnosti zpracovaného materiálu: Vrubová hou-4 CZ 302676 B6 ževnatost KCV mini 95 J/cm2, spodní mez kluzu ReL = 280 MPa, horní mez kluzu Relí = 292 MPa, mez pevnosti Rm - 420 MPa, tažnost A5= 42 %, tvrdost 113 HV30.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY io 1. Způsob žíhání ocelového polotovaru, v y z n ač uj íc í se t í m, že se ocelový polotovar 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.
2. Způsob žíhání ocelového polotovaru podle nároku l, vyznačující se tím, že

15 ochlazení se provede na teplotu místnosti.
3. Způsob žíhání ocelového polotovaru podle nároku 1, vyznačující se tím, že ochlazení se provede na teplotu nižší než 750 °C, načež se ohřeje rychlostí vyšší než 10 °C/s na teplotu maximálně 900 ^ÚC, což se provede alespoň jednou, s následným ochlazením na teplotu místnosti rychlostí vyšší než 0,5 °C/s.

20
4. Způsob žíhání ocelového polotovaru podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že základnímu ohřevu předchází ohřev ocelového polotovaru rychlostí vyšší než 10°C/s na teplotu v intervalu 650 až 900 °C v celém průřezu s následným ochlazením maximálně na teplotu okolí rychlostí vyšší než 0,5 °C/s.
5. Způsob žíhání ocelového polotovaru podle nároku 4, v y z n a č uj í c í se t í m , že ohřev

25 ocelového polotovaru rychlostí vyšší než 10°C/s na teplotu v intervalu 650 až 900 °C v celém průřezu je proveden s prodlevou.