fizyczne symulacje procesu kontrolowanego walcowania prętów z

Prace IMŻ 1 (2010)
78
Marcin KNAPIŃSKI, Henryk DYJA, Marcin KWAPISZ
Politechnika Częstochowska
FIZYCZNE SYMULACJE PROCESU
KONTROLOWANEGO WALCOWANIA PRĘTÓW
Z EKSPERYMENTALNEJ SUPERDROBNOZIARNISTEJ
STALI KONSTRUKCYJNEJ
W pracy przedstawiono wyniki fizycznego modelowania procesu walcowania prętów z superdrobnoziarnistej stali
konstrukcyjnej. Symulacje przeprowadzono za pomocą urządzenie Gleeble 3800. Celem przeprowadzonych symulacji
było określenie wpływu zastosowanego schematu odkształceń i temperatur na uzyskaną strukturę końcową materiału
po schłodzeniu do temperatury otoczenia. W badaniach dla wszystkich analizowanych schematów odkształceń zastosowano przyspieszone chłodzenie do temperatury 300oC z prędkością 10oC/s. Próbki po odkształceniach poddano
analizie mikrograficznej w celu ujawnienia składników fazowych oraz określenia uzyskanej wielkości ziarna ferrytu.
Dodatkowo badania uzupełniono o pomiary twardości w celu wyznaczenia przybliżonych wartości granicy plastyczności oraz wytrzymałości na rozciąganie.
Słowa kluczowe: kontrolowane walcowanie prętów, symulacja fizyczna, stal superdrobnoziarnista
PHYSICAL SIMULATIONS OF A PROCESS OF CONTROLLED
ROLLING OF BARS OF EXPERIMENTAL SUPER FINE-GRAINED
CONSTRUCTIONAL STEEL
The paper presents the results of physical modeling of a rolling process of bars of super fine- grained construction
steel. Simulations were carried out using the Gleeble 3800 device. The aim of the said simulations was to determine
the impact of applied deformation pattern and temperatures on the final structure of material obtained after cooling
to the ambient temperature. During the research accelerated cooling with the rate of 10oC/s to the temperature of
300oC was used for all the analyzed patterns of deformation. The samples following deformation were subject to micrographic analysis in order to disclose phase components and determine the achieved size of ferrite grain. Additionally,
the research was completed with hardness measurement to determine the estimated values of yield point and tensile
strength.
Key words: controlled bars rolling, physical simulation, super fine-grained steel
1. WPROWADZENIE
Globalna intensyfikacja procesów produkcyjnych pociąga za sobą konieczność wytwarzania nowych materiałów stalowych charakteryzujących się wysokim stosunkiem właściwości mechanicznych do ceny. Poszukiwanymi na rynku stali stają się wyroby, w których podczas procesu produkcyjnego uzyskano możliwie drobnoziarnistą strukturę, (średnica ziarna ferrytu w wyrobie
gotowym poniżej 2 μm), która zapewnia bardzo dobre
właściwości wytrzymałościowe oraz plastyczne (także
udarność) przy niskim udziale dodatków stopowych.
Uzyskanie takiej struktury w stalach konstrukcyjnych
niskowęglowych, niestopowych (ewentualnie z mikrododatkami) jest możliwe na drodze obróbki cieplno-plastycznej, a to zapewnia produkcję wyrobów o dobrych
właściwościach (o wytrzymałości powyżej 700 MPa)
oraz niskiej cenie i znacznej podatności do recyklingu.
Jeden ze sposobów uzyskania struktury superdrobnoziarnistej w stalach niskowęglowych, niestopowych po
walcowaniu na gorąco polega na zastosowaniu znacznych odkształceń w ostatnich gniotach, które odbywają się w pobliżu temperatury przemiany austenitu lub
w zakresie dwufazowym γ+α – z następnym przyśpieszonym chłodzeniem do temperatury otoczenia [1–3].
W ramach konsorcjum naukowego, skupiającego:
Instytut Metalurgii Żelaza, Politechnikę Śląską, Akademię Górniczo-Hutniczą, Politechnikę Warszawską
i Politechnikę Częstochowską, prowadzone są obecnie
badania nad opracowaniem technologii przeróbki plastycznej nowych gatunków stali, wśród których znajduje
się stal konstrukcyjna superdrobnoziarnista. W pracy
przedstawiono część wyników badań, mających na celu
określenie optymalnych warunków walcowania prętów
w warunkach walcowni liniowej z analizowanej stali,
gwarantujących maksymalne rozdrobnienie ziarna
i uzyskanie struktury ferrytycznej o równoosiowych
ziarnach ferrytu z wydzieleniami perlitu i/lub bainitu.
2. OPIS MATERIAŁU I PRZEBIEG BADAŃ
Przedmiotem badań opisanych w pracy była superdrobnoziarnista stal konstrukcyjna, której skład chemiczny został opracowany w Instytucie Metalurgii Żelaza. W Instytucie wykonano eksperymentalne wytopy
Prace IMŻ 1 (2010)
Fizyczne symulacje procesu kontrolowanego walcowania prętów...
79
Tablica 1. Skład chemiczny badanej stali
Table 1. Chemical composition of the tested steel
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Mo
Co
V
Ti
Al
Cu
0,13
0,83
0,17
0,012
0,011
<0,02
0,02
<0,01
0,01
0,1
0,024
0,023
0,02
Tablica 2. Schemat odkształceń realizowany podczas symulacji walcowania prętów
Table 2. Pattern of deformations realized during simulations of bars rolling
Przepust 1
Nr
Obszar pręta
H1
T1
o
Przepust 2
t1
H2
T2
o
Przepust 3
t2
H3
T3
o
Przepust 4
t3
H4
T4
o
[-]
[ C]
[s]
[-]
[ C]
[s]
[-]
[ C]
[s]
[-]
[ C]
0,5
900
5
0,5
887
5
0,1
870
5
0,1
850
0,5
865
5
0,5
852
5
0,1
835
5
0,1
815
3
0,5
830
5
0,5
817
5
0,1
800
5
0,1
780
4
0,4
955
5
0,1
925
5
0,4
890
5
0,1
850
0,4
920
5
0,1
890
5
0,4
855
5
0,1
815
0,4
885
5
0,1
855
5
0,4
820
5
0,1
780
1
2
5
6
Rdzeń
Powierzchnia
i odlano wlewki o wymiarach 100×100×700 mm. Wyniki analizy składu chemicznego wlewków przedstawiono w tablicy 1.
W celu usunięcia występującej w materiale, charakterystycznej dla wlewków, struktury dendrytycznej oraz w celu wyeliminowania ewentualnych wad
odlewniczych, stal została poddana wstępnej obróbce
plastycznej na gorąco. Z wlewków odkuto płaskowniki
o wymiarach około 27,5×16,5 mm, po czym poddano je
operacji wyżarzania normalizującego. Tak przygotowany materiał został dostarczony do przeprowadzenia
symulacji fizycznych procesu walcowania wyrobów płaskich. Fizyczne modelowanie procesu walcowania stali przeprowadzono za pomocą symulatora GLEEBLE
3800 produkcji amerykańskiej firmy Dynamic Systems
Inc. Wykorzystując uniwersalne cechy urządzenia,
można przeprowadzić między innymi następujące testy: badanie wytrzymałości na gorąco w teście rozciągania, próbę jednoosiowego ściskania, test ściskania
w płaskim stanie odkształcenia [4–6]. Do symulacji
procesu walcowania prętów wykorzystano test ściskania w płaskim stanie odkształcenia.
Z dostarczonych płaskowników stalowych pobrano próbki prostopadłościenne o wymiarach 10×15×20
zgodnie z rys. 1. Podczas symulacji walcowania blach
grubych próbki nagrzewano do temperatury 1000oC
z szybkością 5oC/s, po czym wygrzewano w tej temperaturze przez 15 s dla uzyskania jednorodnej temperatury w odkształcanej części próbki. Następnie próbki
chłodzono z szybkością 3oC/s do temperatury odkształ-
Rys. 1. Schemat pobierania próbek do symulacji walcowania z płaskownika; 1 – płaskownik, 2 – próbka prostopadłościenna o wymiarach 10×15×20 mm
Fig. 1. Diagram of sample drawing for flat bar rolling
simulation; 1 – flat bar, 2 – sample with rectangular prism
– shaped sample, dimensions 10×15×20 mm
cenia i ściskano zgodnie ze schematami przedstawionymi w tablicy 2. Po zakończeniu odkształceń próbki
o
o
chłodzono z szybkością 10 C/s do temperatury 300 C,
a następnie do temperatury otoczenia w powietrzu.
Schemat zmian temperatury podczas symulacji przedstawiono na rys. 2. W ramach symulacji walcowania
prętów w warunkach walcowni liniowej zrealizowano
około 50 symulacji dla różnych warunków odkształceń
i temperatur w poszczególnych przepustach. Jednak
z uwagi na ograniczoną objętość niniejszego opracowania przedstawiono jedynie wyniki sześciu zrealizowanych symulacji. Parametry procesu dobrano w taki sposób, aby kończyć walcowanie w temperaturach: 850oC,
815oC i 780oC, natomiast przerwy pomiędzy kolejnymi
odkształceniami wynosiły w każdym przypadku 5 s.
Zrealizowane schematy odkształceń odzwierciedlają
walcowanie w 4 ostatnich przepustach procesu, przy
czym przyjęto, że podczas walcowania w wykrojach
w inny sposób odkształcane są warstwy powierzchniowe pręta, a w inny sposób jego rdzeń. Z tego względu
trzy przykładowe schematy podano dla warunków odkształcania rdzenia i trzy dla warunków odkształcania
warstw przy powierzchni (tabl. 2)
Po wykonaniu symulacji walcowania wszystkie
próbki przecięto zgodnie z płaszczyzną prostopadłą do
ich długości. Na powierzchniach przecięcia wykonano
zgłady metalograficzne, które wytrawiono nitalem.
Ujawnione w taki sposób mikrostruktury poddano obserwacjom pod mikroskopem optycznym przy powiększeniu 1000 razy. Dla każdej z próbek określono rodzaj
Rys. 2. Schemat zmian temperatury podczas symulacji walcowania
Fig. 2. Diagram of temperature variation during rolling
simulation
Prace IMŻ 1 (2010)
Marcin Knapiński, Henryk Dyja, Marcin Kwapisz
80
uzyskanej struktury oraz oszacowano wielkości ziarna
ferrytu. Pomiarów wielkości ziarna ferrytu dokonano
metodą siecznych przypadkowo zorientowanych, wykorzystując w tym celu skalowane zdjęcia ujawnionych
struktur. Ponadto wykorzystując empiryczne zależności [7, 8], przedstawione równaniami (1) w oparciu
o pomiary twardości dokonano szacowania uzyskanej
wartości granicy plastyczności (Re) i wytrzymałości na
rozciąganie (Rm).
Re = (HV/0,378) – 123
Rm = (HV/0,352) + 70
(1)
gdzie:
HV – twardość,
Re – granica plastyczności,
Rm – wytrzymałość na rozciąganie.
Pomiarów twardości dokonano metodą Vickersa,
przy obciążeniu 5kG (HV5).
3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Na rysunkach 3–8 przedstawiono ujawnione mikrostruktury próbek po symulacjach walcowania zrealizo-
Tablica 3. Wyniki symulacji walcowania prętów
Table 3. Results of bars rolling simulation
Nr
Obszar pręta
1
2
Re
Rm
Średnia
wielkość ziarna
Współczynnik
kształtu ziarna
[-]
[MPa]
[MPa]
[Pm]
[-]
170
327
553
6,50
0,892
164
311
536
6,41
0,969
3
168
321
547
2,62
0,934
4
158
295
519
6,98
0,989
5
6
Rdzeń
Twardość,
HV5
Powierzchnia
162
306
530
4,92
0,968
185
366
596
2,37
0,900
Rys. 3. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 1 (tabl. 2)
Rys. 4. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 2 (tab. 2)
Fig. 3. Microstructure of sample deformed according to
diagram no. 1 (tab. 2)
Fig. 4. Microstructure of sample deformed according to
diagram no. 2 (tab. 2)
Rys. 5. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 3 (tabl. 2)
Rys. 6. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 4 (tabl. 2)
Fig. 5. Microstructure of sample deformed according to
diagram no. 3 (tab. 2)
Fig. 6. Microstructure of sample deformed according to
diagram no. 4 (tab. 2)
Prace IMŻ 1 (2010)
Fizyczne symulacje procesu kontrolowanego walcowania prętów...
81
Rys. 7. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 5 (tabl. 2)
Rys. 8. Mikrostruktura próbki odkształcanej według schematu 6 (tabl. 2)
Fig. 7. Microstructure of sample deformed according to
diagram no. 5 (tab. 2)
Fig. 8. Microstructure of sample deformed according to
diagram no. 6 (tab. 2)
wanych zgodnie z planem przedstawionym w tablicy 2.
Wszystkie zdjęcia struktur oznaczono odpowiednimi
numerami eksperymentu, w wyniku którego uzyskano
daną strukturę.
Wszystkie uzyskane w wyniku odkształceń i przyspieszonego chłodzenia po ostatnim odkształceniu struktury są drobno lub superdrobnoziarnistymi strukturami
ferrytyczno-perlitycznymi. W tablicy 3 zestawiono dla
każdego eksperymentu zmierzoną wielkość ziarna ferrytu, współczynnik kształtu ziarna, zmierzoną twardość oraz szacowane wartości granicy plastyczności
i wytrzymałości na rozciąganie.
Analizując uzyskane wyniki eksperymentów można
stwierdzić, w wyniku odkształceń zadanych zgodnie
ze schematami 1–3, odpowiadającymi odkształceniom
występującym w środkowej części pręta, niezależnie
od temperatury końca walcowania uzyskano podobne
twardości próbek. W przypadku schematów odkształceń
4–6, odpowiadających odkształceniom występującym
w warstwach przy powierzchni pręta, obniżanie temperatury końca walcowania powodowało wzrost twardości materiału. Niezależnie od schematu odkształceń,
obniżanie temperatury końca walcowania wpływa na
uzyskiwanie struktur o zmniejszającej się wielkości
ziarna ferrytu, co jest zasadniczym celem pracy.
nicy ziarna ferrytu, która wynosiła wówczas: 5,34–5,61
μm.
Dalsze obniżanie temperatury początku odkształcania i końcowej temperatury w kolejnych próbach
wpłynęło korzystnie na rozdrobnienie ziarna ferrytu.
Najmniejsze ziarno o wielkości poniżej 3 μm uzyskano w próbkach odkształcanych przy temperaturze początkowej 885°C i temperaturze końcowej 780°. Równie małą wielkość ziarna ferrytu (2,62 μm) otrzymano
w próbce, dla której temperatura początku odkształcenia była równa 830°C, a końca 780°C. Nieco większe
ziarno (z przedziału 3–4 μm) otrzymano dla niektórych
schematów odkształceń przy wyższej temperaturze początkowej i końcowej wynoszącej odpowiednio: 865°C
i 815°C.
Przedstawione wyniki stanowią tylko niewielki fragment badań stanowiących symulacje fizyczne procesów
przeróbki cieplno-plastycznej stali superdrobnoziarnistych. Kompleksowe badania oprócz analizy schematów odkształcenia obejmują: analizę wpływu temperatury końca walcowania, prędkości odkształcenia,
szybkości chłodzenia materiału po odkształceniu, czasu przerwy pomiędzy ostatnim odkształceniem i rozpoczęciem przyspieszonego chłodzenia oraz temperatury
końca przyspieszonego chłodzenia. Przeprowadzenie
symulacji fizycznych uwzględniających wszystkie wymienione czynniki umożliwi określenie optymalnych
parametrów obróbki cieplno-plastycznej badanej stali,
przy których możliwe będzie uzyskanie zamierzonej
struktury ferrytycznej o wielkości ziarna około 2 μm
z wydzieleniami perlitu i/lub bainitu.
4. PODSUMOWANIE
Badania dla różnych schematów odkształcenia prowadzono zakładając różne spadki temperatury pomiędzy kolejnymi przepustami, w taki sposób, aby temperatura ostatniego odkształcenia była równa 850°C,
815°C i 780°C. Z tego względu temperatury początkowych odkształceń mieściły się w przedziale: 830°C do
955°C. Na podstawie wszystkich otrzymanych wyników
prowadzonych eksperymentów stwierdzono, że wysoka
temperatura początku odkształcania 955°C oraz końcowa temperatura 850°C, nie wpływa korzystnie na
rozdrobnienie mikrostruktury badanej stali. Wielkości
ziaren ferrytu uzyskiwane w takich warunkach wynosiły od 6,33 do 8,26 μm. Obniżenie początkowej temperatury do 900°C, przy zakończeniu serii odkształceń
w temperaturze 850oC wpłynęło na zmniejszenie śred-
Publikacja opracowana na podstawie pracy
wykonanej w projekcie badawczym rozwojowym
nr N R07 0008 04 pt. „Opracowanie podstaw przemysłowych technologii kształtowania struktury
i właściwości wyrobów z metali i stopów z wykorzystaniem symulacji fizycznej i numerycznej” dofinansowanym przez Narodowe Centrum Badań
i Rozwoju, realizowanym przez Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica w Gliwicach
(koordynator), Akademię Górniczo-Hutniczą, Politechnikę Częstochowską, Politechnikę Śląską
i Politechnikę Warszawską.
82
Marcin Knapiński, Henryk Dyja, Marcin Kwapisz
Prace IMŻ 1 (2010)
LITERATURA
1. Etou M., Fukushima S., Sasaki T., Haraguchi Y., Miyata K.,
Wakita M., Tomida T., Imai N., Yoshida M. and Okada Y.:
Super Short Interval Multi-pass Rolling Process for Ultrafinegrained Hot Strip, ISIJ International Vol. 48 (2008), No. 8, pp.
1142-1147
2. Tomida T., Imai N., Miyata K., Fukushima S., Yoshida M.,
Wakita M., Etou M., Sasaki T., Haraguchi Y., Okada Y.: Grain
Refinement of C–Mn Steel to 1 μm by Rapid Cooling and Short
Interval Multi-pass Hot Rolling in Stable Austenite Region,
ISIJ International Vol. 48 (2008), No. 8,pp.1148-1157
3. Knapiński M., Kwapisz M., Frączek T.: Fizyczne symulacje
procesu walcowania blach grubych z superdrobnoziarnistej
stali konstrukcyjnej, FIMM2009, Fizyczne i matematyczne
modelowanie procesów obróbki plastycznej, Prace Naukowe,
Mechanika, z.226, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009, ISSN 0137-2335, s. 117-122
4. Markowski J., Knapiński M., Koczurkiewicz B., Frączek T.:
Walcowanie normalizujące blach grubych ze stali w gatunkach
S355J2G3, GL-E36 i S460NL1, Hutnik Wiadomości Hutnicze
2007 nr 6, ISSN 1230-3534, s.296-300
5. Markowski J., Knapiński M., Dyja H.: The effect of the conditions of the thermo-mechanical treatement on the struc-
ture of S460NL1 steel, Современные достижения в теории
и технологии пластической обработки металлов, Труды
международной научно-технической конференции, СанктПетербург Издательство Политехнического университета 2007,
ISBN 5-7422-1603-3, pp. 154-160
6. Knapiński M.: Modelowanie mikrostruktury blach grubych ze
stali S355J2G3 w procesie walcowania, Metalurgia 2009, Nowe
technologie i osiągnięcia, Monografia zbiorowa pod redakcją
Henryka Dyi, Seria: Monografie nr1, Częstochowa 2009, ISBN
978-83-87745-13-4, ISSN 2080-2072, s. 33-52
7. Koczurkiewicz B., Korczak P., Dyja H.: The analisis of the
technological parameters of the rolling process over the structure and mechanical properties of the steel plate. Metal 2000,
9th International Metallurgical Conference. Ostrawa, Czech
Republic
8. Koczurkiewicz B., Dyja H., Korczak P.: Analiza pola temperaturowego przy chłodzeniu kształtowników. Materiały konferencji Problemy metaloznawstwa w XXI w. Cedzynia/k. Kielc
2000
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Maciej Pietrzyk