ITRM970367A1 - Procedimento per la produzione di nastri grezzi di colaggio in acciaio a basso contenuto di carbonio e nastri cosi' ottenibili - Google Patents

Procedimento per la produzione di nastri grezzi di colaggio in acciaio a basso contenuto di carbonio e nastri cosi' ottenibili Download PDF

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ITRM970367A1
ITRM970367A1 IT97RM000367A ITRM970367A ITRM970367A1 IT RM970367 A1 ITRM970367 A1 IT RM970367A1 IT 97RM000367 A IT97RM000367 A IT 97RM000367A IT RM970367 A ITRM970367 A IT RM970367A IT RM970367 A1 ITRM970367 A1 IT RM970367A1
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Antonio Mascanzoni
Ettore Anelli
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Voest Alpine Ind Anlagen
Acciai Speciali Terni Spa
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Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione industriale dal titolo: "PROCEDIMENTO PER LA PRODUZIONE DI NASTRI GREZZI DI COLAGGIO IN ACCIAIO A BASSO CONTENUTO DI CARBONIO E NASTRI COSÌ OTTENIBILI"
La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la produzione di nastri di acciaio a basso contenuto di carbonio, con una buona combinazione di resistenza meccanica e formabilità a freddo, nella condizione così come colati.
Sono noti diversi metodi per produrre nastri di acciaio al carbonio tramite dispositivi di colata continua con lingottiera a rulli controrotanti. Questi metodi sono mirati alla produzione di nastri di acciaio al carbonio con buone proprietà di resistenza meccanica e di duttilità .
In particolare, in EP 0707908 Al viene descritta un'apparecchiatura di colata continua a rulli controrotanti con cui viene colato un nastro di acciaio al carbonio, che viene poi sottoposto in linea a laminazione a caldo con riduzione dello spessore fino al 50-70% e raffreddato. Il prodotto piatto sottile così ottenuto presenta buone proprietà di resistenza meccanica e di duttilità grazie alla riduzione delle dimensioni del grano ottenuta per effetto della laminazione a caldo.
Da WO 95/13155 è noto un metodo di trattamento termico in linea di nastri colati in acciaio al carbonio mirato al controllo della microstruttura del nastro nella condizione così come colato. In particolare, il nastro colato viene raffreddato al di sotto della temperatura a cui avviene la trasformazione dell'austenite a ferrite e successivamente riscaldato fino a riaustenitizzare il materiale (normalizzazione in linea). In tal modo, per effetto di una doppia trasformazione di fase in fase solida, solida si affinano i grani austenitici e mediante il controllo delle condizioni del raffreddamento finale e dell'avvolgimento del nastro è possibile sviluppare strutture abbastanza fini di adeguata resistenza meccanica e duttilità.
I procedimenti sopracitati richiedono tuttavia impianti e consumi energetici aggiuntivi (es. gabbia/gabbie di laminazione, forno per il riscaldo intermedio, ecc.) e comportano generalmente un maggior spazio e, quindi, minore compattezza dell'intero impianto produttivo dalla macchina di colaggio all'aspo avvolgitore. Inoltre, sono finalizzati all'affinamento della struttura finale del nastro, cercando di renderla per quanto possibile simile a quella di un nastro laminato a caldo da ciclo convenzionale e non forniscono insegnamenti sull'ottenimento di un prodotto che sviluppi le proprietà meccaniche e tecnologiche desiderate, sfruttando le peculiarità delle caratteristiche di trasformazione di fase degli acciai grezzi di colaggio aventi un grano austenitico di grosse dimensioni (in genere 150-400 μm).
Scopo, quindi, della presente invenzione è quello di fornire un procedimento per la produzione di nastri di acciaio con basso contenuto di carbonio i quali presentino, nella condizione così come colati, senza introdurre stadi di laminazione e/o ciclaggi termici, una buona combinazione di resistenza meccanica e duttilità e adeguata saldabilità .
Altro scopo della presente invenzione è di fornire un nastro di acciaio al carbonio che presenti, nella condizione così come colato, proprietà meccaniche migliorate, in particolare un rapporto tensione di snervamento/carico a rottura relativamente basso e un andamento di tipo continuo della curva tensione-deformazione, che renda il materiale particolarmente adatto per le applicazioni di formatura a freddo quali piegatura ed imbutitura.
Oggetto della presente invenzione è infatti un procedimento per la produzione di nastri grezzi di colaggio, in acciai a basso tenore di carbonio, con una buona combinazione di resistenza meccanica e formabilità, comprendente le seguenti operazioni: - colaggio in continuo, in una macchina di colata continua con lingottiera a rulli controrotanti, di nastri con uno spessore compreso tra 1 e 8 mm, aventi la seguente composizione espressa in percentuale in massa:
- raffreddamento del nastro nel tratto compreso tra i rulli di colaggio ed i rulli di presa;
- deformazione a caldo del nastro colato tramite detti rulli di presa ad una temperatura compresa tra 1000 e 1300 °C fino ad impartire una riduzione dello spessore, non superiore al 15%, per favorire la chiusura delle cavità di ritiro;
raffreddamento controllato del nastro ad una velocità compresa tra 5 e 80 °C/s fino ad una temperatura compresa tra 500 e 850 °C; ed
avvolgimento del nastro così ottenuto alla suddetta temperatura.
Nel procedimento della presente invenzione, le caratteristiche di trasformazione di fase dell'austenite a grano grossolano, formatasi durante il processo di colaggio in continuo senza effettuare una laminazione a caldo e/o una normalizzazione in linea, sono sfruttate per produrre, in acciai a basso tenore di carbonio, tramite un raffreddamento ed un avvolgimento controllati, prefissate ripartizioni in volume dei costituenti microstrutturali nel materiale così come colato. Queste microstrutture finali, costituite da ferrite equiassica, ferrite aciculare e/o bainite, ci danno alla curva tensionedeformazione, caratteristica del materiale, un andamento di tipo continuo, con miglioramento della deformabilità in modo da rendere il nastro particolarmente adatto per le applicazioni di formatura a freddo.
Oggetto della presente invenzione sono anche i nastri di acciaio a basso contenuto di carbonio ottenibili con il suddetto procedimento. Questi nastri possiedono bassa segregazione, prefissate microstrutture miste contenenti ferrite aciculare e/o bainite, in grado di conferire un basso rapporto snervamento/carico a rottura e un andamento di tipo continuo alla curva tensionedeformazione del materiale, ed un'adeguata saldabilità dopo decapaggio.
La presente invenzione verrà appresso meglio illustrata dalla descrizione di una sua forma di realizzazione preferita, data a titolo esemplificativo e non limitativo, e facendo riferimento ai disegni annessi, in cui:
la figura 1 è uno schema semplificato della macchina di colata continua a rulli controrotanti per nastri sottili e delle regioni di raffreddamento controllato dei nastri, secondo la presente invenzione;
la figura 2 è uno schema dei cicli di raffreddamento in linea applicati a nastri grezzi di colaggio;
la figura 3 è una illustrazione fotografica al microscopio ottico della microstruttura di un primo tipo di nastro in acciaio grezzo di colaggio raffreddato secondo la presente invenzione;
la figura 4 è una illustrazione fotografica al microscopio ottico della microstruttura di un nastro in acciaio grezzo di colaggio, raffreddato secondo la presente invenzione;
la figura 5 è una illustrazione fotografica al microscopio ottico della microstruttura di un nastro in acciaio grezzo di colaggio, raffreddato secondo la presente invenzione;
la figura 6(a) è un'illustrazione fotografica al microscopio ottico di un particolare della ferrite di tipo aciculare di un nastro secondo la presente invenzione;
la figura 6(b) è una illustrazione fotografica di un particolare al microscopio elettronico a trasmissione della ferrite di tipo aciculare di un nastro secondo la presente invenzione;
la figura 7 è una illustrazione fotografica della microstruttura al microscopio ottico di un secondo tipo di nastro in acciaio grezzo di colaggio, raffreddato secondo la presente invenzione;
la figura 8 è una illustrazione fotografica della microstruttura al microscopio ottico di un terzo tipo di nastro in acciaio grezzo di colaggio, raffreddato secondo la presente invenzione;
le figure 9 (a) e 9(b) sono illustrazioni fotografiche della microstruttura al microscopio ottico di un quarto tipo di nastro in acciaio prodotto con ciclo tradizionale,-la figura 10 è una curva di trazione di un nastro di un tipo di acciaio;
le figura 11 è una illustrazione fotografica della microstruttura al microsopio ottico di un nastro grezzo di colaggio in acciaio prodotto secondo il procedimento della presente invenzione;
la figura 12 è un diagramma della curva di trazione in modo continuo di un nastro in acciaio grezzo di colaggio prodotto secondo il procedimento della presente invenzione;
le figure 13(a) e 13(b) sono diagrammi rappresentativi dei lobi di saldabilità di due tipi di nastro in acciaio decapato prodotti secondo il procedimento della presente invenzione; e
la figura 14 è un diagramma rappresentativo dei lobi di saldabilità di un nastro in acciaio decapato a basso carbonio prodotto tramite un ciclo convenzionale .
Con riferimento alla figura 1, il procedimento della presente invenzione prevede l'uso di una apparecchiatura di colata continua con lingottiera a rulli controrotanti 1. Immediatamente a valle dei rulli 1 sono previsti due dispositivi di raffreddamento 2a e 2b per raffreddare in maniera controllata il nastro che li attraversa in maniera continua .
Successivamente ai due suddetti dispositivi di raffreddamento sono previsti dei rulli di presa 3 di costituzione di per sé già nota.
All'uscita della stazione 3 è previsto un dispositivo di raffreddamento finale modulare 4 attraverso il quale il nastro viene fatto passare per poi giungere ad un dispositivo di avvolgimento 5.
Durante la solidificazione e l'estrazione dalla lingottiera 1, il nastro viene sottoposto ad una adeguata forza agendo sui rulli controrotanti, in modo da limitare la formazione di cavità di ritiro. Il nastro colato viene quindi sottoposto su entrambe le facce a raffreddamento con acqua, oppure a raffreddamento misto acqua-gas per rallentare la crescita sia dei grani austenitici sia dello strato di ossidi superficiali. Utilizzando i rulli di presa, viene impartita una riduzione dello spessore inferiore al 15% ad una temperatura variabile tra 1000 e 1300°C per richiudere a dimensioni accettabili le porosità residue dovute al ritiro.
I cicli di raffreddamento dei nastri di acciaio così come colati sono impostati agendo su velocità di colaggio, portate d'acqua e numero delle zone di raffreddamento attive. Il ciclo di raffreddamento finale, dopo i rulli di presa, è definito in base alle caratteristiche di trasformazione di fase degli acciai, le quali dipendono principalmente dalle dimensioni iniziali dei grani austenitici, e dai contenuti di C, Mn e Cr, in modo da sviluppare le strutture desiderate.
Sono state condotte varie prove di laboratorio e su impianto in piena scala, impiegando acciai la cui composizione era definita nel seguente campo:
rimanente parte essendo sostanzialmente Fe.
Da queste prove si è evidenziato che tramite il controllo della analisi chimica dell'acciaio e delle modalità di raffreddamento in linea è possibile sviluppare idonee microstrutture finali, caratterizzate da definite frazioni in volume di ferrite equiassica e di ferrite aciculare e/o bainite. La differente ripartizione dei costituenti microstrutturali così realizzabile, conferisce ai nastri grezzi di colaggio combinazioni diversificate di resistenza meccanica, duttilità e formabilità a freddo, valutabili con prova di trazione e prova Erichsen.
In particolare, gli inventori hanno valutato le proprietà legate alla formazione di strutture di ferrite aciculare o bainite, caratterizzate da un'alta densità di dislocazioni, rispetto alle strutture tradizionali di ferrite poligonale a grano fine.
Con il procedimento della presente invenzione si realizzano su un nastro grezzo di colaggio, in acciaio a basso tenore di carbonio, varie tipologie di strutture e proprietà, riassumibili nello schema seguente :
A) Prevalenza di ferrite equiassica
ferrite aciculare e/o bainite: <20% in volume ferrite equiassica a grano grossolano: ^70% in volume
periite: 2-10% in volume
tensione di snervamento: Rs = 180-250 MPa carico unitario a rottura: Rm ≥. 280 MPa rapporto Rs/Rm ≤.0.75
allungamento a rottura: ≥. 30%
indice di Erichsen: ≥ 12 mm
B) Struttura mista di ferrite equiassica e aciculare
ferrite aciculare e/o bainite: 20-50% in volume
ferrite equiassica a grano grossolano: <80% in volume
perlite: <2% in volume
tensione di snervamento: Rs = 200-300 MPa carico unitario a rottura: Rm ≥. 300 MPa rapporto Rs/Rm = ≤. 0.75
allungamento a rottura: ≥ 28%
indice di Erichsen: ≥ 11 mm
C) Prevalenza di ferrite aciculare-bainite ferrite aciculare e/o bainite: >50% in volume ferrite equiassica a grano grossolano: <50% in volume
perlite: <2% in volume
tensione di snervamento: Rs = 210-320 MPa carico unitario a rottura: Rm > 330 MPa rapporto Rs/Rm ≤.0.8
allungamento a rottura: ≥ 22%
indice di Erichsen: ≥.10 mm
E' stato trovato che C, Mn e Cr, nelle concentrazioni in massa definite nell'ambito della presente invenzione, e grani austenitici di dimensioni superiori a 150 μπι, nonché velocità di raffreddamento > 10 °C/s nell'intervallo di temperature 750-480 °C, favoriscono la formazione di ferrite non equiassica.
Ulteriori prove condotte secondo il processo descritto nella presente invenzione hanno mostrato che è possibile sfruttare la maggiore uniformità in termini di distribuzione e concentrazione degli elementi di lega in un nastro colato con elevata velocità di solidificazione (bassa entità della segregazione) per omogeneizzare la distribuzione delle microstrutture ed evitare la formazione di strutture indesiderate, di tipo martensitico, che riducono la duttilità e formabilità del materiale.
Inoltre, gli inventori hanno scoperto che il raffreddamento energico del nastro colato è efficace nell'ottenimento di una scaglia di ossido superficiale di spessore e di natura tali da essere asportata, utilizzando i processi tradizionali di decapaggio dei rotoli. Tramite prove di saldatura per resistenza a punti di campioni di nastri decapati, fabbricati con il procedimento della presente invenzione, si è verificata positivamente la saldabilità dei materiali, che, come noto, è fortemente influenzata dalla condizione superficiale dei lamierini.
Ulteriormente, gli inventori hanno osservato come l'aggiunta di elementi come vanadio e niobio, poiché aumentano la temprabilità dell'austenite e ritardano la formazione di ferrite equiassica, facilitano lo sviluppo di ferrite aciculare e bainite. Inoltre, il niobio e il titanio, formando carbo-nitruri, inibiscono la crescita delle dimensioni dei grani austenitici in processi di riscaldo ad alta temperatura, assicurando, ad esempio, una migliore duttilità nella zona termicamente alterata di una saldatura.
Qui di seguito verranno riportati esempi illustrativi e comparativi, dati a titolo esemplificativo e non limitativo, di microstrutture e proprietà di nastri fabbricati sia con il procedimento della presente invenzione sia con tecnologie convenzionali. Per ragioni di chiarezza, le tabelle menzionate negli esempi vengono riportate tutte insieme dopo l'ultimo esempio (Esempio n° 4).
ESEMPIO 1
Si sono prodotti alcuni nastri di spessore compreso tra 2.2 e 2.4 mm, secondo il procedimento della presente invenzione, utilizzando l'acciaio A, la cui analisi è riportata in tabella 1.
L'acciaio liquido è stato colato in una macchina di colata continua verticale (figura 1) con lingottiera a rulli controrotanti e una forza di separazione media di 40 t/m. I nastri sono stati raffreddati all'uscita della lingottiera fino a raggiungere in prossimità dei rulli di presa temperature di 1210-1170 °C. A queste temperature è stato impartita una riduzione di spessore di circa il 10%. Successivamente il raffreddamento è stato modulato, come indicato schematicamente in figura 2, in modo da realizzare velocità di raffreddamento comprese tra 10 e 40 °C/s nell'intervallo di temperature compreso tra 950 °C e la temperatura di avvolgimento. Quest'ultima è stata fatta variare tra 780 e 580 °C. Le principali condizioni di raffreddamento e avvolgimento sono mostrate in tabella 2, insieme con alcune caratteristiche microstrutturali dei nastri fabbricati. Le proprietà meccaniche dei nastri in termini di tensione di snervamento Rs, espressa come ReL oppure RpO.2 a seconda che si abbia snervamento discontinuo oppure continuo, di carico unitario a rottura, Rm, di rapporto Rs/Rm, di allungamento a rottura, A%, e di indice di Erichsen (I.E.), misura della formabilità a freddo dei materiali, sono riportate in tabella 3.
Nelle figure 3-5 sono mostrate le microstrutture tipiche rispettivamente dei nastri avvolti a 760-730 °C (nastri 9 e 4) e a 580 °C (nastro 5), come osservabili al microscopio ottico.
Si osserva come al diminuire della temperatura di avvolgimento e all'aumentare della velocità di raffreddamento media del nastro, si abbia praticamente la scomparsa della perlite e lo sviluppo di strutture di ferrite aciculare e/o bainite, il cui dettaglio è mostrato in figura 6. Tali microstrutture portano ad uno snervamento del materiale di tipo continuo (Tab. 3).
ESEMPIO 2
Altri nastri di spessore 2.0 - 2.5 mm sono stati fabbricati con il procedimento della presente invenzione, ma utilizzando gli acciai B e C di tabella 1, aventi un tenore di carbonio più alto {0.052% e 0.09%, rispettivamente).
Le principali condizioni di raffreddamento e avvolgimento sono mostrate in tabella 4, insieme con alcune caratteristiche microstrutturali dei nastri fabbricati. Le proprietà meccaniche dei nastri e l'indice di Erichsen, misura della formabilità a freddo dei materiali, sono riportate in tabella 5.
Nelle figure 7 e 8 sono mostrate le microstrutture tipiche rispettivamente dei nastri 7 (acciaio B) e 14 (acciaio C), come osservabili al microscopio ottico. Anche in questo caso, sfruttando le caratteristiche di trasformazione di fase degli acciai con grano austenitico grossolano, è possibile sviluppare strutture miste contenenti, oltre a ferrite equiassica, ferrite aciculare e bainite. I valori di resistenza meccanica sono maggiori di quelli mostrati nell'esempio 1 relativo all'acciaio con 0.035 % C, ma la duttilità e la formabilità a freddo rimangono a buoni livelli.
ESEMPIO 3
In questo esempio comparativo sono riportate le microstrutture e le proprietà di un nastro di spessore 2 mm in acciaio D (tabella 1) prodotto con ciclo tradizionale confrontate con quelle di un nastro grezzo di colaggio, di stessa analisi chimica processato secondo il procedimento della presente invenzione. Chiaramente, la microstruttura del nastro tradizionale è costituita da grani fini di ferrite poligonale e da perlite (figura 9), con curva di trazione di tipo discontinuo (figura 10). Le proprietà meccaniche tipiche di questo nastro convenzionale sono mostrate in tabella 6. L'impiego di temperature di avvolgimento relativamente basse (tabella 7), consente con il procedimento della presente invenzione di passare a materiali con strutture aciculari del tipo di quelle mostrate nella figura 11, caratterizzate da valori del carico unitario a rottura simili, ma con snervamento di tipo continuo (figura 12) e, quindi con rapporto snervamento/carico a rottura inferiore (tabella 8).
ESEMPIO 4
Alcuni nastri oggetto della presente invenzione, negli acciai A e B sono stati decapati e sottoposti a prove di saldabilità. Le prove di saldatura per punti sono state effettuate con elettrodi di diametro 8 mm, adottando un carico di 650 kg, e variando l'intensità di corrente. Nella figura 13 sono mostrati i diagrammi che nel piano "numero di cicli-intensità di corrente" danno i lobi di saldabilità, ossia il dominio in cui i lamierini sono saldabili senza problemi. Il confronto con un lamierino decapato di spessore simile, in acciaio a basso carbonio da ciclo convenzionale (figura 14), mostra come i nastri prodotti con il procedimento della presente invenzione conservino adeguate caratteristiche di saldabilità, ad indicazione di uno stato superficiale accettabile.
Tabella 1
Analisi chimica degli acciai utilizzati negli esempi
Tabella 2
Condizioni di raffreddamento microstrutture finali dei nastri grezzi di colaggio in acciaio A utilizzati negli esempi
Tabella 3
Proprietà meccaniche dei nastri grezzi di colaggio nell'acciaio A utilizzato negli esempi
Tabella 4
Condizioni di raffreddamento e microstrutture finali dei nastri grezzi di colaggio negli acciai B e C utilizzati negli esempi
Tabella 5
Proprietà meccaniche dei nastri grezzi di colaggio negli acciai B e C
Tabella 6
Proprietà meccaniche di nastri da ciclo convenzionale in acciaio D
Tabella 7
Condizioni di raffreddamento e microstrutture finali dei nastri grezzi di colaggio in spessore 2 e 4 mm negli acciai D
Tabella 8
Proprietà meccaniche dei nastri grezzi di colaggio nell'acciaio D

Claims (6)

  1. RIVENDICAZIONI 1 . Procedimento per la produzione di nastri di acciaio a basso contenuto di carbonio con una buona combinazione di resistenza meccanica e formabilità, nella condizione così come colati, ed adeguata saldabilità dopo decapaggio con processi usuali, comprendente le seguenti operazioni: - colaggio, in una macchina di colata continua con lingottiera a rulli controrotanti, di nastri con spessore compreso tra 1 e 8 mm, aventi la seguente composizione espressa in percentuale in massa:
    - raffreddamento del nastro nel tratto compreso tra i rulli di colaggio ed i rulli di presa; - deformazione a caldo del nastro colato tramite detti rulli di presa ad una temperatura compresa tra 1000 e 1300 °C fino ad impartire una riduzione dello spessore non superiore al 15% per favorire la chiusura delle cavità di ritiro; raffreddamento del nastro ad una velocità compresa tra 5 e 80 °C/s fino ad una temperatura compresa tra 500 e 850 °C; ed - avvolgimento del nastro così ottenuto.
  2. 2. Nastro grezzo di colaggio in acciaio a basso contenuto di carbonio, caratterizzato dal fatto di essere ottenibile tramite il procedimento secondo la rivendicazione 1 e dal fatto di possedere bassa segregazione, prefissate microstrutture miste contenenti ferrite aciculare e/o bainite, in grado di conferire un basso rapporto snervamento/carico a rottura e un andamento di tipo continuo alla curva tensionedeformazione del materiale, ed un adeguata saldabilità dopo decapaggio.
  3. 3. Nastro di acciaio a basso contenuto di carbonio secondo la rivendicazione 2, con le seguenti microstruttura finale e relative proprietà: ferrite aciculare e/o bainite: <20% in volume ferrite equiassica a grano grossolano: ≥70% in volume perlite: 2-10% in volume tensione di snervamento: Rs = 180-250 MPa carico unitario a rottura: Rm ≥ 280 MPa rapporto Rs/Rm ≤. 0.75 allungamento a rottura: > 30% indice di Erichsen: ≥ 12 mm
  4. 4. Nastro di acciaio a basso contenuto di carbonio secondo la rivendicazione 2, con le seguenti microstruttura finale e relative proprietà : ferrite aciculare e/o bainite: 20-50% in volume ferrite equiassica a grano grossolano: <80% in volume perlite: <2% in volume tensione di snervamento: Rs = 200-300 MPa carico unitario a rottura: Rm ≥ 300 MPa rapporto Rs/Rm ≤.0.75 allungamento a rottura: ,≥,28% indice di Erichsen: ≥ H mm
  5. 5. Nastro di acciaio a basso contenuto di carbonio secondo la rivendicazione 2, con le seguenti microstruttura finale e relative proprietà : ferrite aciculare e/o bainite: >50% in volume ferrite equiassica a grano grossolano: <50% in volume perlite: <2% in volume tensione di snervamento: Rs = 210-350 MPa carico unitario a rottura: Rm > 330 MPa rapporto Rs/Rm = ≤.0.8 allungamento a rottura: ≥. 22% indice di Erichsen: ≥_ 10 mm
  6. 6. Procedimento per la produzione di nastri di acciaio a basso contenuto di carbonio con una buona combinazione di resistenza meccanica e formabilità nella condizione così come colati e nastri di acciaio a basso contenuto di carbonio, saldabili, come precedentemente descritto, illustrato e rivendicato.
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