Streszczenie

Streszczenie pracy doktorskiej
SHINGO TSUCHIYA
„Wyjaśnienie mechanizmu kształtowania struktury ziaren γ w stalach węglowych w
stanie lanym i stało-ciekłym wraz z lepkością stali w stanie stało-ciekłym„
Produkcja stali wzrasta wraz ze wzrostem światowego popytu na wyroby stalowe. Biorąc pod
uwagę aktualną sytuację społeczną wymagającą ograniczenia emisji gazów cieplarnianych,
produkcja stali o wysokiej wytrzymałości przy użyciu wydajnych procesów powinna być
jednym z problemów, które należy rozwiązać. W tej pracy skupiono uwagę na tworzeniu i
kontroli struktury ziaren austenitu w stalach węglowych. Podczas produkcji stali, struktura
ziarna austenitu (γ) ma duże znaczenie w poprawie produktywności procesów ciągłego
odlewania stali (COS), walcowania na gorąco i procesów stało-ciekłych, które wymagają
szerokiej uwagi w czasie produkcji stali. Stąd kontrola struktury ziarna γ jest traktowana jako
ważny problem do rozwiązania. Jednakże, mechanizm tworzenia się struktury ziarna γ
podczas odlewania i w stanie stało-ciekłym nie został ujawniony wystarczająco. Z tego
punktu widzenia, praca ta skupia się na wyjaśnieniu mechanizmu powstawania tych struktur,
proponowanych kierunków i metod kontroli mikrostruktury. W przypadku struktury stałociekłej badano zachowanie lepkości, ponieważ wpływa ona znacząco na płynność surowych
materiałów w stanie stało-ciekłym w procesach takich jak tiksoforming.
W rozdziale 1 zwrócono uwagę na znaczenie kontroli struktury ziarna γ podczas odlewania,
oparte na wiedzy na temat zjawiska powierzchniowego pękania w procesie ciągłego
odlewania i rozwój struktury ziarna γ podczas kontrolowanego walcowania. Stwierdzono, że
rozdrobnienie struktury ziarna γ ma duże znaczenie zwłaszcza w procesie zintegrowanego
odlewania, w którym wlewek w stanie γ jest bezpośrednio przekazywany do procesu
gorącego walcowania. Na końcu tego rozdziału, podsumowano aktualne wytwarzanie w
stanie stało-ciekłym i zasugerowano problemy w stosowaniu tej techniki w przypadku stali.
W rozdziale 2 podsumowano poprzednie badania w odniesieniu do struktury stali w wysokich
temperaturach, jak dendryty, ziarna austenitu w stanie lanym i strukturę stało-ciekłą. W
procesie odlewania stali węglowych, podczas krzepnięcia najpierw z cieczy tworzy się
struktura dendrytyczna, a rozwój struktury ziaren γ w stanie lanym rozpoczyna podczas lub po
krzepnięciu. W tym rozdziale, badania dotyczące struktury ziarna γ w stanie zakrzepniętym
zostały zweryfikowane i poprzednie badania zostały sklasyfikowane w zależności od
warunków krzepnięcia i morfologii struktury ziarna γ. W odniesieniu do struktury stałociekłej wyjaśniono niektóre metody wytwarzania stało-ciekłych surowych materiałów i
rozwoju struktury stało-ciekłej w metalach.
W rozdziale 3 badano
mechanizm powstawania struktury kryształów słupkowych
gruboziarnistych γ (CCG) w stali o zawartości węgla 0,2 i 0,35 % za pomocą szybkiej
jednokierunkowej aparatury do krzepnięcia. W oparciu o analizę termiczną z wykorzystaniem
termopary podczas krzepnięcia i symulacji krzepnięcia, stwierdzono, że za pomocą
posiadanej aparatury do badań można realizować warunki chłodzenia odpowiadające w
praktyce procesowi ciągłego odlewania. Ponadto, struktura ziaren γ w stanie lanym i struktura
dendrytów była podobna do tych we wlewkach ciągłych. Za pomocą szybkiej
jednokierunkowej aparatury do krzepnięcia, badano rozwój struktury słupkowej
gruboziarnistej (CCG). Poniżej przedstawiono najważniejsze wnioski. W procesie tworzenia
struktury γ gruboziarnistej drobne kryształy słupkowe (FCG) występują zawsze przed
obszarami gruboziarnistymi. Przejście od struktury FCG do struktury CCG jest nieciągłe i
średnica mniejszej osi kryształów drobnoziarnistych jest porównywalna do odstępów
ramienia głównego dendrytów, a obszar kryształów słupkowych drobnoziarnistych
odpowiada polu dwufazowemu cieczy + γ. Odległość migracji granicy obszaru FCG / CCG
stopniowo zwiększa się w czasie, a obszar kryształów gruboziarnistych rozwija w kierunku
obszaru drobnych ziaren, gdy temperatura granicy obszaru FCG / CCG będzie mniejsza od Tγ.
Za siłę napędową rozwoju struktury CCG uważa się różnicę średnicy mniejszej osi pomiędzy
CCG i FCG. Jeśli chodzi o wielkość kryształów CCG, ich wzrost następuje izotermicznie
wzdłuż małej osi CCG przy temperaturze T ≈ Tγ tylko w pobliżu granicy obszaru FCG /
CCG. Stwierdzono, że kryształy słupkowe gruboziarniste nie powiększają się poniżej
temperatury Tγ.
W rozdziale 4 zbadano strukturę ziarna austenitu w stanie lanym oraz mechanizm jej
tworzenia w stalach węglowych hiperperytektycznych za pomocą techniki szybkiego
jednokierunkowego krzepnięcia. Poniżej przedstawiono najważniejsze wnioski. W stalach o
stężeniu węgla XC poniżej 0,38%, struktury w stanie lanym składają się z równoosiowych
kryształów (EG) i grubych kryształów słupkowych γ (CCG), których średnia średnica
mniejszej osi dm wynosi 1-3 mm. Gdy XC ≥ 0,38 kryształy słupkowe γ (CG), których średnia
średnica mniejszej osi dm wynosi 200-500 µm pojawiają się w pobliżu miedzianego
krystalizatora i struktura kryształów nagle zmienia się ze słupkowej (CG) w słupkową
gruboziarnistą (CCG). Długość kryształów słupkowych wzrasta stopniowo ze wzrostem
stężenia XC do 0,42 %. W stalach o stężeniu węgla powyżej 0,43 % prawie cała struktura
składa się z kryształów słupkowych. Umiejscowienie granicy ziarna austenitu jest zbieżne z
miejscami występowania granic skupisk dendrytów w obszarze kryształów słupkowych.
Innymi słowy, wielkość i kształt ziarna γ pokrywa się ze skupiskami dendrytów w obszarze
kryształów słupkowych CG. Jednakże, nie ma korelacji pomiędzy ziarnami γ i strukturą
dendrytów w obszarach kryształów równoosiowych (EG) i słupkowych gruboziarnistych
(CCG).
W krzepnących próbkach, kryształy słupkowe drobnoziarniste FCG o średnicy dm mniejszej
niż 200 µm występują przed rosnącymi kryształami słupkowym gruboziarnistymi CCG, ale
nie istnieją przed obszarami kryształów słupkowych CG. W obszarach CG występują
następujące zależności orientacji krystalograficznej, {100}γ / / {100}d i <100>γ / / <100>d,
gdzie indeksy γ i d stanowią odpowiednio fazę γ i dendryty. Jednak kryształy drobnoziarniste
FCG nie wykazują takiego związku. Wymienione powyżej wyniki wskazują, że tworzenie
kryształów słupkowych CG jest zapoczątkowane przy pojawieniu się krzepnięcia pierwotnego
fazy γ. Ma to swoje poparcie również w analizie numerycznej wzrostu dendrytów fazy δ i γ w
oparciu o model KGT.
W rozdziale 5 badano mechanizm powstawania struktury ziarna γ w stanie lanym w stali
o stężeniu węgla poniżej 0,15 %. W stali o stężeniu węgla od 0,1 do 0,15%, struktura
kryształów słupkowych gruboziarnistych utworzona jest w pobliżu powierzchni odlanego
wlewka. W próbkach o zawartości 0,1 % C chłodzonych do temperatury pokojowej, rozwój
struktury CCG był opóźniony, a struktura FCG, która zwykle występuje w próbkach
hartowanych podczas krzepnięcia, z przodu kryształów CCG, była nadal przed CCG bez
znacznego wzrostu ziarna. W stali o stężeniu węgla mniejszym niż 0,1%, nie obserwowano
struktury kryształów słupkowych drobno i gruboziarnistych, natomiast w całym badanym
obszarze zaobserwowano kryształy słupkowe równoosiowe (CEG), których wielkość jest
mniejsze niż kryształów gruboziarnistych, a większa niż drobnoziarnistych. Na podstawie
mikrostrukturalnych obserwacji rozwoju struktury ziarna γ w stali o 0,05 % C chłodzonej w
piecu, uważa się, że tworzenie kryształów słupkowych równoosiowych następuje
mechanizmem przemiany masowej, w której przemiana dyfuzyjna nie występuje.
W rozdziale 6 podsumowano morfologię i mechanizm tworzenia struktury ziarna w stanie
lanym w stalach węglowych. Na podstawie zdobytej wiedzy na temat tworzenia się struktury
ziarna γ w stanie lanym, zasugerowano kierunki i praktyczne metody kontroli struktury ziarna
γ w stanie lanym. W tym rozdziale skupiono się na wpływie dodatków pierwiastków
stopowych jako metody rozdrobnienia struktury kryształów gruboziarnistych CCG w stali o
0,1 % C. Dodanie 0,05 % Nb lub Ti rozdrabnia całkowicie strukturę CCG i całą strukturę
stanowią kryształy drobnoziarniste FCG. Zgodnie z obliczeniami diagramu fazowego, Ti
powinien tworzyć cząstki TiN powyżej Tγ, a dodatek Nb stabilizuje fazę δ do niższych
temperatur. Dlatego stwierdzono, że tworzenie się zakotwiczonych faz takich jak TiN i fazy δ
zapobiega powstawaniu struktury kryształów gruboziarnistych. Jeśli chodzi o wpływ dodatku
Mn, bazując na wyliczenie z diagramu fazowego, oczekuje się zwiększenia tworzenia
struktury gruboziarnistej CCG z powodu wzrostu temperatury Tγ. Jednakże, w
przeciwieństwie do oczekiwań, dodanie Mn zmniejsza długość obszaru kryształów CCG.
Z tego powodu uważa się, że pozostała faza ciekła spowodowana wzrostem mikrosegregacji
uniemożliwia migrację granicy FCG / CCG w próbce z dodatkiem Mn. Dlatego tworzenie
kryształów słupkowych gruboziarnistych CCG, a mianowicie migracja granicy obszarów
FCG / CCG, może być hamowana przez zakotwiczenie faz, takich jak TiN, cieczy i δ.
Ponieważ tworzenie struktury CCG w znacznej mierze zależy od koncentracji węgla, ważna
jest także ścisła kontrola stężenia węgla, aby kontrolować strukturę. Dyspersja
zakotwiczonych faz stabilizowanych do niższych temperatur może zmienić strukturę
gruboziarnistą w strukturę drobnoziarnistą FCG z rozmiarem kryształów rzędu kilkuset µm.
Ponieważ na wielkość i morfologię kryształów drobnoziarnistych FCG wpływa struktury
dendrytów δ, przejście morfologii dendrytów od kryształów słupkowych do równoosiowych
powinno skutkować powstaniem drobnej równoosiowych strukturę ziarna γ.
W rozdziale 7 badano wpływ szybkości nagrzewania, czas wytrzymania i dodatek Nb na
rozwój struktury stało-ciekłej stali 100Cr6, poprzez eksperymenty z nagrzewaniem próbek.
Ujawniono, że reakcja przetapiania zachodzi na granicy ziarna austenitu i pozycji
międzydendrytycznych podczas procesu nagrzewania powyżej temperatury solidus
niezależnie od stężenia Nb. Rozwój struktury ziarna austenitu w procesie nagrzewania
poniżej solidusu ma znaczny wpływ na wielkość ziarna γ w strukturze stało-ciekłej. Wielkość
ziaren kulistych γ w strukturze stało-ciekłej była mniejsza w próbce z dodatkiem Nb,
zwłaszcza w przypadku warunków wolnego nagrzewania ze względu na zahamowanie
rozwoju ziarna γ cząstkami NbN rozproszonych w osnowie. W stanie stało-ciekłym, dodatek
Nb nie wpływa znacząco na kinetykę pogrubienia ziaren γ. Zachowanie rozrostu struktury
stało-ciekłej tłumaczono teorią dojrzewania Ostwalda.
W rozdziale 8 badano lepkość stali 100Cr6 w fazie ciekłej i fazie ciecz + γ za pomocą
wysokotemperaturowego wiskozymetru rotacyjnego. Ciekła stal z przegrzaniem ~ 20° C
wykazywała zachowanie cieczy nienewtonowskiej, w której lepkość cieczy maleje ze
wzrostem szybkości ścinania. Biorąc pod uwagę fakt, że stal ma strukturę atomową nawet w
stanie ciekłym, a lepkość maleje ze wzrostem szybkości ścinania, spadek lepkości może być
spowodowany rozbiciem struktury atomowej przy wzroście szybkości ścinania. W przypadku
stali w stanie stało-ciekłym następuje zmniejszenie lepkości ze wzrostem szybkości ścinania.
Dlatego wyraźnie obserwowano zjawisko tiksotropii. Lepkość stali w stanie stało-ciekłym
znacznie wzrasta przy niewielkim spadku temperatury. Stąd w praktyce, wymagana jest
precyzyjna kontrola temperatury stali przy stosowaniu procesów stało-ciekłych.
Rozdział 9 jest streszczeniem pracy.