Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej pretów walcowanych na goraco, a zwlaszcza sposób bezposredniego chlodzenia pretów walcowanych na goraco ze stali niskostopowej, w celu wytworzenia struktury materialu pozwalajacej na zastosowanie maksymalnego zgniotu w nastepnej fazie obróbki.Drut stalowy wytwarzany jest w szerokim zakresie rozmiarów, ksztaltów i wlasnosci mechanicznych po¬ trzebnych do licznych zastosowan. Niezaleznie od przeznaczenia drutu, jest on w zasadzie wytwarzany w taki sam sposób, a mianowicie przez przeciaganie preta przez otwór stozkowy lub przez szereg takich otworów.Jednakze przed takim przeciaganiem pret jest poddawany obróbce cieplnej w celu wytworzenia róznych struktur metalu. Charakter tej obróbki cieplnej zalezy glównie od zawartosci wegla. Gdy zawartosc wegla w stali wynosi ponad 0,4% nalezy uzyskac strukture, która zapewnia optymalna kombinacje wytrzymalosci na rozciaganie i ciagliwosci. Uzyskuje sie ja przez ponowne nagrzewanie, znane jako patentowanie lub bezposrednie chlodzenie od temperatury wyzszej od A3 sposobami opisanymi w patencie niemieckim nr 888339 lub w patencie Stanów Zjednoczonych nr 3231432. Uzyskana struktura ulatwia ciagniecie zgrubne preta lub drutu oraz pozwala na wytworzenie wyrobu posiadajacego optymalna wytrzymalosc iciagliwosc. Gdy w produkcji stosuje sie stal o zawartosci wegla mniejszej od 0,4%, nalezy uwzglednic zupelnie inne wlasciwosci. Na przyklad przy wytwa¬ rzaniu gwozdzi z preta niskoweglowego pierwszorzedne znaczenie maja wlasnosci wplywajace na speczanie na zimno. Podobnie podczas wytwarzania srub lub wkretów, pierwszorzedne znaczenie maja wlasnosci wplywajace na skrawalnosc.Stosowany jako material wyjsciowy pret niskoweglowy powinien byc miekki i miec strukture zblizona do struktury powstajacej przy wyzarzaniu. Wlasnosci mechaniczne winny zapewnic dobra zgniatalnosc (tj. z niska granica plastycznosci) przy jednoczesnej dobrej odksztalcalnosci (tj. z niskim stosunkiem granicy plastycznosci do wytrzymalosci na rozciaganie). W stalach niskoweglowych wlasnosci te sa uzyskiwane przez dobór wlasnosci osnowy ferrytowej, a zwlaszcza przez wielkosc ziarna ferrytu. Jednym ze sposobów maksymalizacji rozmiarów ferrytu jest raczej dluga (na przyklad 12 godzin) izotermiczna obróbka cieplna w temperaturze bliskiej Ai.Takim sposobem uzyskuje sie maksymalna ilosc ferrytu w polaczeniu z wystarczajacym czasem potrzebnym na wzrost ziarna. Chociaz sposób ten jest latwy do wykorzystania w laboratorium, to stosowanie takich dlugich2 101959 okresów czasu jest zupelnie nie praktyczne w produkcji masowej, a zwlaszcza podczas ciaglego, tasmowego walcowania pretów na goraco. Jako przyklad moze sluzyc linia produkcyjna podobna do tej, która zostala opisana w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 3645805, w której pret walcowany na goraco jest po¬ czatkowo ochladzany do temperatury wyzszej od A3, a nastepnie skladany jest w niekoncentrycznych pierscie¬ niach przesunietych wzgledem siebie na ruchomy przenosnik (strefa obróbki cieplnej), na którym moze byc ochladzany róznymi sposobami w celu zapewnienia wyrobowi koncowemu wlasciwej jednolitej struktury wzdl^JL£aleJ dlugosci preta.- , ¦ Piety podawaji? sa na te przenosniki z walcarki dzialajacej z bardzo duza predkoscia. Dla wlasciwej pracy zespolu w celu zapobiegniecia zatorom i spietrzeniom, przenosniki powinny poruszac sie z minimalna predko¬ scia rzedu 3,02 m/mip. Tym samym, nawet dla przenosnika o dlugosci 30,2 m maksymalny mozliwy czas obrób¬ ki ^npsftyl^ó 10 minut. Oczywiscie mozliwe jest niewielkie powiekszenie dlugosci przenosnika i/lub zastoso- wanieTIfóCD^^hwejfizej tasmy produkcyjnej. Jednakze ze wzgledów praktycznych, czasy obróbki cieplnej w pro¬ dukcji ograniczone sa zasadniczo do okresów nie dluzszych niz okolo 15 minut, a najczesciej nie dluzszych niz minut.Celem niniejszego wynalazku jest usuniecie wad i niedogodnosci znanych sposobów obróbki.Cel ten zostal osiagniety dzieki temu, ze prety schladza sie od temperatury A3 do temperatury nizszej od 649°C w ograniczonym okresie czasu wynoszacym 2,5 do 15 minut, przy czym chlodzenie prowadzi sie etapami dla powiekszenia zdolnosci zgniatania materialu preta. Najpierw chlodzi sie od temperatury A3 do temperatury z zakresu Tp ± 19°C oraz wygrzewa w tej temperaturze przez okres co najmniej 2 minut, przy czym Tp jest funkcja zawartosci wegla w stali wedlug zaleznosci: przy C< 0,28% Tp = 863-277% C (% wagowe) przy C0,20% Tp = Ax - 39 i dalej chlodzi sie do temperatury zblizonej do temperatury pokojowej.Takwytworzone prety odznaczaja sie niska granica plastycznosci i niskim stosunkiem granicy plastycznosci do wytrzymalosci na rozciaganie. Cechy te sa uwidocznione na rysunku, na którym fig. 1 do 5 przedstawiaja wplyw chlodzenia etapami w róznych temperaturach na wlasnosci mechaniczne pieciu typowych pretów stalo¬ wych, fig. 6 - wplyw dzialania temperatury przez rózne okresy czasu na mechaniczne wlasnosci preta ze stali stopowej 8637, fig. 7a do e - zdjecia fotomikrograficzne struktur metalu powstajacych w róznych okresach czasu dzialania temperatur pokazanych na fig. ó. Sklad chemiczny gatunków stali wedlug AISI podano w tablicy I.Okazuje sie, ze ciagle, tasmowe wytwarzanie walcowanego na goraco, niskostopowego, niskoweglowego preta, przy którym pret musi byc poddany ograniczonej w czasie obróuce cieplnej (tj. w maksymalnym okresie czasu znajdujacym zastosowanie w produkcji masowej) pozwala na osiagniecie wymiecionych uprzednio ko¬ rzystnych cech, gdy stosuje sie etapowe chlodzenie. Podczas chlodzenia preta od temperatury A3 do temperatu¬ ry ponizej 649°C pozadane jest, aby poddany on byl dzialaniu wyznaczonego zakresu temperatur przez okres co najmniej 2,0 minut. Ten wyznaczony zakres temperatur zmienia sie znacznie, glównie w zaleznosci od zawartosci wegla w precie i moze byc okreslony z otrzymanych doswiadczalnie równosci.Jezeli zawartosc wegla w precie jest mniejsza niz 0,28%, to wyznaczona temperatura (Tp) wynika z zalez¬ nosci: Tp = 863-277% C wagowo gdzie Tp jest w °C, a % C jest rzeczywista zawartoscia wagowa wegla w stali.Jezeli zawartosc wegla w precie wynosi wagowo od 0,2 do 0,4%, to wyznaczona temperatura wynika z zaleznosci: Tp = Al-39 Dla wiekszosci pretów Tp w drugim przypadku wynosi okolo 677°C. Jednakze w tych kilku przypadkach, w których stosowane sa prety zawierajace znaczna ilosc skladników stopowych, na przyklad Mn lub Ni, wyzna¬ czona temperatura jest zmienna ze wzgledu na zmienna temperature Ax stali. Równosci te znajduja zastosowanie nie tylko do stali weglowych lecz takze do stali niskostopowych, to jest do stali zawierajacych mniej niz okolo 3% wagowo wszystkich skladników stopowych.W obu przypadkach pret poddawany jest dzialaniu temperatury w zakresie Tp ± 19°C, przy czym zalecany jest zakres ± 14°C, przez okres co najmniej 2 minut, a korzystny jest okres co najmniej 3 minut. Zalecany czas dzialania takiego zakresu temperatur zmienia sie w zaleznosci od zawartosci skladników stopowych. Z powyz¬ szych zaleznosci wynika, ze dla preta .o zawartosci wegla w granicach od 0,20 do 0,28% wagowych istnieje mozliwosc stosowania zarówno temperatury okreslonej z pierwszego równania, jak i z drugiego. Powód tego pokrywania sie zakresów temperatur mozna wytlumaczyc tak, ze stale zawierajace mniej niz 0,28% wagowo C101959 3 maja szeroki zakres A1-A3, wewnatrz którego moze zachodzic przemiana znacznej ilosci austenitu w ferryt. Jak wspomniano powyzej, wiekszy spadek temperatury (od 7 do a) wplywa dodatnio na wzrost ziarna. Sporzadzono wykres granicy plastycznosci 24 róznych przebiegów chlodzenia stali 1008 w funkcji odpowiednich rozmiarów ziaren.Punkty obrazujace sklonnosc granicy plastycznosci do zmniejszania sie przy wzroscie rozmiarów ziarna sa znacznie rozrzucone. Nasuwa sie w zwiazku z tym przypuszczenie, ze pojawia sie jakis inny czynnik wywolujacy dzialanie wzmacniajace. Sadzi sie, ze tym czynnikiem wzmacniajacym, przynajmniej w odniesieniu do niskosto- powych stali niskoweglowych jest starzenie sie podczas ochladzania do temperatury pokojowej. Starzenie moze byc wywolane badz przez wydzielanie sie weglików, badz tez orzez wydzielanie sie azotków. Poniewaz ocenia sie, ze zawartosc azotu w stalach jest niewielka oraz poniewaz doswiadczalnie okreslony, wyznaczony zakres temperatur jest funkcja zawartosci wegla, logiczne jest zalozenie, ze pierwszy z czynników jest wazniejszy.Z przyjecia tego zalozenia wynika, ze wyzszy spadek temperatur (w zakresie Ai -A3) wywoluje wskutek starze¬ nia zmniejszenie ilosci wegla w roztworze w osnowie ferrytowej, a ponadto wywoluje zmniejszenie dzialania wzmacniajacego. W celu zmniejszenia znacznej sklonnosci do starzenia duza ilosc austenitu musi w pierwszym przypadku przeksztalcic sie w ferryt. A zatem, poniewaz zawartosc wegla powieksza sie, wyznaczony zakres temperatur musi sie zmniejszac, aby powstala znaczna ilosc ferrytu. Jednakze ze wzgledu na powiekszanie sie ilosci wegla starzenie wywiera mniejszy wplyw oraz calkowita wytrzymalosc powieksza sie i staje sie bardziej zalezna od ilosci i rodzaju perlitu, który powstaje wskutek przeksztalcenia austenitu. Wedlug powyzszego uza¬ sadnienia nie jest dziwne, ze dla tych samych, posrednich zawartosci wegla (to jest 0,2 do 0,28% wagowych) wystepuje pokrywanie sie wyznaczonych zakresów temperatur wplywajacych na calkowita wytrzymalosc preta.Wynika to z róznych mechanizmów przemian.Korzystny wplyw chlodzenia etapami, bedacego przedmiotem wynalazku widoczny jest z ponizszego przykladu. Piec konwencjonalnych gatunków pretów stalowych poddano szybkiemu chlodzeniu od temperatury 927°C do róznych wyznaczonych temperatur. Nastepnie trzymano je w tych temperaturach przez okres dziesie¬ ciu minut, po czym chlodzono je w wermuhcie w celu nasladowania szybkosci chlodzenia wiazek pretów zlozo¬ nych z niekoncentrycznych pierscieni. Ten ostatni sposób chlodzenia zastosowano w celu umkniecia zmian szybkosci chlodzenia istniejacych zazwyczaj, gdy prety sa zebrane w takie niekoncentryczne wiazki i chlodzone powietrzem. Srednice i sklad chemiczny pretów podano w tablicy.Ostateczne wlasnosci mechaniczne przedstawiono graficznie na figurach 1 do 5. We wszystkich przypad¬ kach wyraznie widoczny jest korzystny wplyw wygrzewania preta w wyznaczonym zakresie temperatur. Krzywa obrazujaca zmiane granicy plastycznosci stali 1020 majacej srednia zawartosc wegla, wykazuje dwa minima, z których jedno znajduje sie w obszarze dwufazowym okolo temperatury 800°C, a drugie ponizej At w tempera¬ turze 677°C. Wyraznie widoczny jest znacznie nizszy stosunek granicy plastycznosci do wytrzymalosci na rozciaganie dla preta poddanego dzialaniu temperatury w obszarze dwufazowym. Oczywiste jest, ze wygrzewanie preta w drugiej temperaturze jest bardziej pozadane.W celu pokazania wplywu powiekszania czasu wygrzewania (w zakresie ograniczonego okresu czasu) w wyznaczonej temperaturze, próbki poddano wygrzewaniu przez czas od 2 do 10 minut. Gdy wyznaczona temperatura wygrzewania jest temperatura w obszarze dwufazowym, czas tak krótki, jak dwie minuty jest wystar¬ czajacy do osiagniecia znacznego zmiekczenia, a po okolo trzech minutach dzialania temperatury nie ma wyraz¬ nej poprawy zmiekczenia. Podobnie, okres tylko dwóch minut okazuje sie wystarczajacy dla stali weglowej (1038) wygrzewanej w temperaturze 677°C. Z drugiej strony dla stali stopowych pozadany jest czas dluzszy niz minut. Figura 6 pokazuje wplyw czasu wygrzewania (w temperaturze 677°C) na mechaniczne wlasnosci preta ze stali 8637). Figury 7a do e przedstawiaja fotomikrografie struktury preta dla tych samych okresów wygrzewa¬ nia, które pokazano na fig. 6.Poniewaz zawartosc skladników stopowych w tej drugiej stali ma wplyw na zmniejszenie szybkosci prze¬ miany (to jest przesuwa linie poczatku i konca wykresu przemiany izotermicznej na prawo) nalezy oczekiwac, ze stal ta wymaga nieco dluzszego czasu potrzebnego do osiagniecia pozadanego zmniejszenia granicy plastycznosci.Ustalenie minimalnego, koniecznego czasu wygrzewania dla danej stali dokonuje sie przez proste wygrzewanie izotermiczne w powiekszonym okresie czasu, to jest tak, jak pokazano na fig. 6. Ogólnie, gdy Tp jest ponizej Ai, pozadane jest wygrzewanie przez okres czasu wystarczajacy do osiagniecia przemiany dostatecznej ilosci austeni¬ tu w celu uzyskania istotnego zmniejszenia granicy plastycznosci.Sposób chlodzenia etapami, bedacy przedmiotem wynalazku nadaje sie do zastosowania ze wszystkimi znanymi sposobami wytwarzania pretów stalowych. We wszystkich tych procesach pret walcowany na goraco opuszcza walcarke majac temperature 954-1037°C, a nastepnie jest szybko chlodzony do nizszej temperatury w celu poddania go dalszej obróbce. W najczesciej stosowanych obróbkach produkcyjnych, pret jest nastepnie4 101959 podawany do zwijarek z bebnem nieruchomym, które zwijaja go i podaja do urzadzenia tworzacego wiazki pretów zwinietych w pierscienie. Wiazki te podawane sa nastepnie na tasmociag, na którym sa powoli chlodzone, najczesciej powietrzem.Korzysci wynikajace z zastosowania wynalazku moga byc uzyskane przez prosta modyfikacje powyzszego procesu. Na przyklad tasmociag moze byc przykryty (jak podano w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 3547421) urzadzeniem izolacyjnym w ksztalcie tunelu, przeciwdzialajacym stratom ciepla. Mozna takze za¬ stosowac dodatkowe doprowadzenie ciepla za pomoca elektrycznosci albo palnika gazowego. Jednakze pelne korzysci wynikajace z zastosowania wynalazku mozna najlepiej osiagnac wykorzystujac nowoczesne sposoby, w których szybko chlodzony pret zwiniety spiralnie lub w oddzielne, przesuniete wzgledem siebie pierscienie podawany jest na przenosnik (na przyklad jak w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych nr nr 3231432 i 3547421). Sposoby te zapewniaja bardziej jednolita obróbke cieplna wyrobu.Oprócz tego wynalazek moze byc wykorzystany wtaki sposób, ze walcowany na goraco pret majacy temperature w zakresie 954- 1037°C jest szybko chlodzony, na przyklad w konwencjonalnych pojemnikach wodnych, do temperatury powyzej Tp. Ochlodzony pret jest nastepnie kierowany do urzadzenia zwijajacego, które zwija go w spirale. W tej postaci podawany jest on na tasmociag, przenoszacy go przez szereg pieców, ogrzewajacych go promieniowaniem, przy czym chlodzenie jes* przerwane lub znacznie opóznione, zgodnie z tym, co przedstawiono powyzej. Chlodzenie preta od temperatury A3 do wymaganego zakresu temperatur odbywa sie z mozliwie najwieksza predkoscia, najaka pozwalaja warunki produkcyjne.Powolne chlodzenie do wymaganego zakresu temperatur uniemozliwia wlasciwy wzrost ziaren zmniejszajac powaznie osiagane korzysci. Ponadto wieksze korzysci mozna osiagnac wykorzystujac czas zuzyty na powolne chlodzenie do wygrzania preta w wyznaczonym zakresie temperatur. Wynika z tego, ze predkosc chlodzenia powinna byc wieksza, gdy nalezy zapewnic minimalny czas (to jest 2 minuty) wygrzewania, a nadwyzka czasu wykorzystana jest w dalszym chlodzeniu preta od wyznaczonego zakresu temperatur do temperatury ulepszania.Zauwazmy, ze minimalna pozadana predkosc chlodzenia (od A3 do Tp) w znacznym stopniu wynika po pierwsze z zakresu spadku temperatury, a wiec gdy Tp jest ponizej Ax, to minimalna predkosc chlodzenia jest znacznie wieksza w przypadku, gdy Tp jest w obszarze dwufazowym oraz po drugie, z granicznego czasu wygrze¬ wania, a wiec szybkosc chlodzenia jest znacznie wieksza dla granicznego czasu 2,5 min. niz dla 15 min. Ogólna zasada jest, ze chlodzenie od A3 do Tp musi odbywac sie z przecietnymi szybkosciami wiekszymi niz 28°C/min. gdy Tp jest w obszarze dwufazowym oraz wiekszymi niz 111 °C/min., gdy Tp jest ponizej Ai. Utrzymywanie wyznaczonego zakresu temperatur wygrzewania preta mozna uzyskac albo przez zastosowanie promienników cieplnych, na przyklad grzejników elektrycznych lub palników gazowych, albo przez zastosowanie osrodka ogrzewczego wzmagajacego wymiane ciepla.W przykladzie wedlug opisu patentowego Stanów Zjednoczonych nr 3547421 podano, ze korzystne jest ogrzewanie gazem, szczególnie wtedy, gdy powiazane jest to z wytwarzaniem atmosfery beztlenowej. W tym przypadku, pomimo znanych zalet atmosfery ochronnej, ogólnie biorac nie jest wskazane stosowanie tego sposo¬ bu. Pret, który nadal posiada ksztalt spiralny, opuszcza piece opózniajace chlodzenie i jest wprowadzany do obszaru chlodzacego, gdzie jest szybko chlodzony do temperatury ulepszenia (na przyklad 315-^482°C) i laczony w wiazki. Wiazki te sa nastepnie laczone ze soba i podawane do dalszej obróbki. Pozadane jest, aby dalsze chlodzenie od temperatury ulepszania bylo mozliwie wolne. Powolne chlodzenie wplywa dodatnio na prety niskoweglowe ze wzgledu na mozliwosc wystepowania wzmozonego starzenia dodatkowo zmniejszajacego pozostale jeszcze skutki przemian. Odnosnie stali srednioweglowych, powolne chlodzenie zapewnia dodatkowy czas dalszej przemiany pozostalego austenitu, w celu uzyskania bardziej miekkich wyrobów.Dla stali o granicznej zawartosci wegla, powolne chlodzenie jest korzystne w obu rozwazanych powyzej przypadkach. We wszystkich przypadkach powolne chlodzenie zapobiega tworzeniu sie zbyt duzych ilosci mar- tenzytu to jest ilosci martenzytu, która znacznie wplywalaby na nastepne ciagnienie preta, na przyklad powaz¬ nie powiekszalaby czestotliwosc jego lamania podczas ciagniecia lub na ostateczne wlasnosci ciagnietego drutu, jak jego slaba skrawalnosc. [ **f* \ F/& 5 T 1 .¦ ¦-, t ! [ r Wytnymafosc na rorcaaante Sran/ta p/asfycmoscl T04 t*0 0/0 rempero/ura cn/oato/Tta CmCj l'X?nvnJ s$.r*\ 4f.9» na 6 Wy/rryma/osc na rorctacan/m Granica p/asl Cras chfo&rwnla *r tmmp+raft/rr* 6r/mCfm/h/ prr*(rrymy*onlk} FIG. 7. a lisi! Sm/n rmtn PL