Rast rekristaliziranih zrn v razogljičenem jeklu z 1,8 % Si in 0,052 % Sb
Recrystallized Grain Growth in Decarburized Steel with 1,8 wt.% Si and 0,052 wt.% Sb
D. Steiner, M. Jenko, F. Vodopivec, IMT Ljubljana, Lepi pot 11
L. Kosec, FNT-Montanistika, Odsek za metalurgijo in materiale, Ljubljana, Aškerčeva 12
Cilj raziskave je bil določiti vpliv antimona na kinetiko rasti rekristaliziranih zrn v neorientirani elektro pločevini. Vzorce dveh jekel, primerjalnega jekla brez antimona in jekla, mikrolegiranega z 0,052 % antimona, smo zarili v svinčevi kopeli v temperaturnem območju od 700 do 800°Cpri različnih časih, od 1 do 60 minut.
Izmerili smo poprečno velikost zrn in kinetiko procesa rasti rekristaliziranih zrn.
Ključne besede: neorientirana elektro pločevina, primarna rekristalizacija, kine tika rasti rekristaliziranih zrn
The aim of our investigation was to determine the effect of antimony on the kinetics of recrystallized grain growth in cold rolled non-oriented silicon steel sheets.
The samples of both steels; manufacturedfrom the same base material, steel doped with antimony and comparing steel without antimony, were annealed in lead bath in the temperature range from 700 to 800°C,for 1 to 60 minutes. The average grain size a?id kinetics of recrystallizedgrain growth were investigated.
Key words: non-oriented silicon steel sheet, primary recrystallization, kinetics of recrystallized grain growth
1	Uvod
V sklopu raziskovalnega dela, ki je namenjeno predvsem zmanjšanju vatnih izgub neorientirane elektro pločevine, smo raziskali kinetiko rekristalizacije v razogljičenem silicijevem jeklu, z 0,052 % antimona in brez antimona.
Majhen dodatek antimona v silicijevem jeklu za neorienti-rano elektro pločevino ugodno vpliva na znižanje vatnih izgub. Antimon vpliva na orientacijo kristalnih zrn tako, da zmanjšuje število zrn, ki so s stališča magnetenja najbolj neugodna. Antimon sodi med površinsko aktivne elemente, ki segregirajo oziroma se adsorbirajo na prostih površinah in s tem vplivajo na rekristalizacijo in razvoj teksture1.
V prispevku je opisana kinetika procesov v temperaturnem intervalu od 700 do 800°C, ko potekajo procesi rekristalizacije in rasti zm.
2	Eksperimentalno delo
»
Analize in preiskave so bile izvršene na trakovih elektro pločevine, ki je bila izdelana iz jekla, mikrolegiranega z 0,052 % antimona in primerjalnega jekla.
Jekli sta bili izdelani s taljenjem v laboratorijski indukcijski peči na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije. Trakovi elektro pločevin so bili izdelani z vročim valjanjem do debeline 2,5 mm, hladno valjani do debeline 1,2 mm, žaijeni za razogljičenje in rekristalizacijo in nato hladno valjani do končne debeline 0,5 mm s 60 % stopnjo hladne deformacije.
Iz tako pripravljene pločevine smo izrezali vzorce, ki smo jih žarili v svinčevi kopeli v temperaturnem intervalu od 700 do 800°C pri različnih časih, od 1 do 60 minut.
Izdelali smo metalografske obruse, na katerih smo izvršili standardne preiskave. Izmerili smo velikost zrn in določili mi-krostrukturo.
Velikost zrn smo opredelili po metodi določevanja poprečne površine zm.
3 Rezultati in diskusija
3.1 Mikromorfologij a rasti zrn
Mikrostruktura po hladnem valjanju je, v nelegiranem primerjalnem jeklu in tudi v jeklu, mikrolegiranem z antimonom, sestavljena iz podolgovatih zrn ferita (sliki 1 in 2). V tako
deformiranem jeklu je nemogoče realno opredeliti velikost zrn, lahko pa z jedkanjem dobimo jasno razločne kristalne meje.
3.2 Kinetika rasti rekristaliziranih zrn
Rast rekristaliziranih zm smo opredelili v temperaturnem področju od 700 in 800°C, ker se pri temperaturah nižjih od 700°C lahko razvijajo velika prizmatična zrna kot posledica "in situ" rekristalizacije z rastjo poligonizacijskih zm, ki je omejena s plastasto porazdelitvijo karbidne faze, nastale zaradi nizke temperature vročega valjanja2.

M
Slika 1: Mikrostruktura hladno valjanega, nelegiranega jekla (jedkano z nitalom, povečava 100*) Figure 1: Microstructure of eold rolled nonalloyed steel (Etchant: Nital, magnification 100')
•N
■ „ )
A5T
ir* V
"'Ji j. --t
a)
Slika 2: Mikrostruktura hladno valjanega jekla, legiranega z 0,052 % Sb (jedkano z nitalom, povečava 100x)
Figure 2: Microstructure of eold rolled antimony alloyed steel (Etchant: Nital, magnification 100x)
Pri močnejšem jedkanju se v nekaterih zrnih pokaže rebrasta podstruktura. V vzorcih primerjalnega jekla je mikrostruktura po kratkih časih žarjenja, to je po 1 minuti, pri temperaturah žarjenja od 700 do 800°C, sestavljena iz rekristaliziranih zrn m posameznih nerekristaliziranih področij (slika 3a). Po dveh minutah žarjenja najdemo le še majhen delež nerekristali-ztrane osnove, po petih minutah pa je rekristalizacija končana.
Pri jeklu, ki je mikrolegirano z antimonom, je proces rekristalizacije hitrejši, saj je mikrostruktura po žaijenju pri kratkih časih in temperaturah od 700 do 750°C sestavljena iz rekristaliziranih in nerekristaliziranih zrn (slika 4a), medtem ko je rekristalizacija pri temperaturah nad 750°C tudi pri kratkih časih v celoti končana.
Mikromorfološke značilnosti rasti kristalnih zrn so vse večja m vse bolj poligonalna kristalna zrna, čim daljše je žarjenje in čim višja je temperatura (sliki 3b in 4b).
, •" c * \ ' * • J":' b)
Slika 3: Mikrostruktura nelegiranega jekla (jedkano z nitalom, povečava 100x) a) žaljeno; 700CC, t min. b) žaljeno; 800°C, 60 min.
Figure 3: Microstructure of nonalloyed steel (Etchant: Nital, magnification 100x) a) heated; 700°C, 1 min. b) heated; 800°C, 60 min.
Pri višjih temperaturah od 800°C se lahko pojavi anormalna rast zrn, zaradi anizotropije v energiji kristalnih mej3.
Odvisnost med trajanjem žarjenja in velikostjo zm za primerjalno jeklo in jeklo z dodatkom antimona, je prikazana v linearnih koordinatah (slika 5) in v semiparaboličnih koordinatah (slika 6). Kinetika rekristalizacije v obeh primerih sledi isti zakonitosti, ki jo opisuje enačba 1;
K t + d
P 0
kjer pomeni:	Zanesljive razlage preloma še nimamo. Pred časom je bila
d - velikost zm	predložena hipoteza, da se hitrost rasti rekristaliziranih zrn v
d„ - konstanta-Burke4 jo označuje kot velikost zrn po Jeklu s Pod°bno sestavo zmanjša, ko doseže količina ogljika
rekristalizaciji	raztopim ferita neko določeno vrednost7.
Kp - parabolična konstanta rasti t - čas žarjenja
1400
1= a.
• 1200
o 1000
b)
Slika 4: Mikrostruktura jekla, legiranega z 0,052 % Sb (jedkano z nitalom, povečava 100x) a) žarjeno; 700°C, 1 min. b) žarjeno; 800°C, 60 min.
Figure 4: Microstructure of antimony alloyed steel (Etchant: Nital, magnification 100x) a) annealed; 1 min. at 700°C b) annealed; 60 min. at 800°C
Za jekla s podobno sestavo zasledimo v literaturi3-5-6 podatek o vrednosti eksponenta n = 1 /2, kar je eksperimentalno določeno iz serije raziskav in kaže parabolično kinetiko rasti rekristaliziranih zrn. Po teoriji, ki sta jo postavila Burke in Turnbull4 je kinetika rasti zm, ki jo opisuje parabola dokaz, da je gonilna sila za rast zrn razlika v ukrivljenosti meje zrna.
Po tej teoriji transport atomov preko meje poteka v smeri središča ukrivljenosti, torej konkavna meja napreduje na račun konveksne. Kinetika rasti zrn kaže, da se pri kritičnem času žarjenja pojavi prelom na kinetični krivulji, po katerem je hitrost rasti zrn manjša.
0 . ________
12 5 10 20	40	60
Čas žarjenja , min
Slika S: Odvisnost velikosti zm od časa žarjenja za legirano in nelegirano jeklo
Figure 5: Relationship between average grain size and annealing time for antimony alloyed and nonalloyed steel
Na sliki 7 je prikazana odvisnost med obratno vrednostjo temperature in naravnim logaritmom paraboličnih konstant rasti KpA in Kpg, ki sta izračunani iz naklona kinetičnih krivulj (slika 6).
KpA predstavlja nagib krivulj pri krajših časih žaijenja, Kpg pa pri daljših časih.
Obstajata torej dve fazi rasti zm, hitrejša po krajših časih in počasnejša po daljših časih žaijenja na določeni temperaturi.
Rast zrn je termično aktiviran proces, zato spremembo hitrosti rasti s spreminjanjem temperature opisuje Arrb^iu-sova enačba,
725°C 725°C
700 °C
-nelegirano jeklo
---legirano jeklo -Sb
800°C 3800°C
775 °C °C
750 °C 750°C
f e
v=k- exp ——
, O	^ R.J
kjer pomeni:
vr.... hitrost rasti rekristaliziranih zrn k0.... konstanta (frekvenčni faktor)
Q.....aktivacijska energija
T.....temperatura
R.....splošna plinska konstanta
E n.
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200
-				dod. brej	0,052 Sb	oSbl / / / , / /■	800°C" 800°C
-				/	/ / . / A / /	A	775°C 775°C
-			/	/ / //}	/ 'l / ; // ( I	M /	750°C 750°C
-	< 1 1	/ <	//	/ s /	/ / r / /	A	725°C
	1	n V 7 \	/ P*	/	/		725 °C 700°C 1700°C
-	f C	7		A / s			
j	f	// V h	r" t	/S 7			
	(L (/	1/					
	/						
-							
12 5 10 20
40 60 [min]
j-1-1-1_i_1_L_
0 1 2 3 4 5 6 7 t"2 [min1/2]
(2)
9 10
Slika 6: Odvisnost velikosti zrn od časa žarjenja za legirano in nelegirano jeklo
Figure 6: Relationship between average grain size and heating time for antimony al!oyed and nonalloyed steel
Enačbo 2 logaritmiramo in priredimo za dve temperaturi Ti in
t2:
lnvrl =ln kQ - (Q / R.Tj) lnvr2 = lnk0-(Q/R.T2)
1
(3)
(4)
Enačbi 3 in 4 odštejemo in dobimo enačbo 5,
ln(vrl /vr2) = Q/R.(l/T2-l /T!)
iz katere lahko izračunamo aktivacijsko energijo procesa, ki v bistvu predstavlja smerni koeficient premice (slika 7) in je značilna za najpočasnejšo reakcijo, ki proces tudi krmili.
Poprečna velikost zrn je bila po končanem žaijenju za rast rekristaliziranih zrn vedno večja v jeklu, mikrolegiranem z antimonom. Razen tega, da se pri jeklu brez antimona rast zm pri temperaturah nad 750CC nekoliko upočasni, ni bistvene razlike v sami kinetiki procesa rasti rekristaliziranih zm v obeh jeklih.
J [X104K~']
Slika 7: Odvisnost logaritmov konstant rasti Kp^ in Kpg od obratne vrednosti temperature za legirano in nelegirano jeklo
Figure 7: Relationship betvveen logarithm values of constants Kp ^ and Kpg and mutual value of temperature
4 Zaključki
Nukleacija in rast rekristaliziranih zrn sta selektivni, zato rekristalizacija v trakovih obeh jekel ni homogen proces.
Nerekristalizirani deli kovine se ohranjajo dlje v primerjalnem jeklu, to je v jeklu brez dodatka antimona. Razlog za to je poprava, ki v nekaterih zrnih zniža gonilno energijo za rekristalizacijo.
Pri višjih temperaturah in daljših časih žaijenja je proces rekristalizacije hiter in vpliv antimona se kaže v večji poprečni velikosti zrn po rekristalizaciji, kar lahko povežemo z dejstvom, da antimon segregira po prostih površinah in s tem zavira nastanek rekristalizacijskih kali. Manjše število zrn pa raste intenzivneje.
V obeh vrstah jekla lahko rast rekristaliziranih zm opišemo z enostavno parabolo in v obeh jeklih tudi zasledimo hitrejšo ter počasnejšo fazo rasti zrn; hitrejšo po kratkih in počasnejšo po daljših časih žaijenja.
Razlaga za to so lahko segregacije elementov nečistoč, ki se v jeklu lahko nahajajo, a jih v preiskovanih jeklih nismo analizirali.
Pri višjih temperaturah in daljših časih žarjenja sta rekristalizacija in rast rekristaliziranih zrn hitri. Zrna postajajo vse večja in vse bolj poliedrična. Tudi s poskusi pri najvišjih temperaturah žaijenja v obeh preiskovanih jeklih še nismo opazili pojava anormalne rasti zrn.
Obe jekli, mikrolegirano z antimonom in tudi primeijalno, kažeta enakomerno poligonalno feritno strukturo.
5 Literatura
1	M. Jenko, F. Vodopivec, F. Grešovnik, B. Praček, M. Kern: Poročilo Metalurškega inštituta, 89-002/H
2	F. Vodopivec: Železarski zbornik, 25, (1991), str. 13-19
3	F. Vodopivec, F. Marinšek, F. Grešovnik, O. Kurner: Železarski zbornik, 21, (1987), str. 29 - 37
4	J.E. Burke, T. Tumbull: Progr. Metal. Phys., 3, (1952), str. 220
5	F. Vodopivec, F. Marinšek: Steel Research, 57, (1986), 10 531
6	H.V. Atkinson: Acta Metallurgica, 36, (1988), št. 3469 D. Hajnže: Diplomsko delo, Ljubljana, 1991