Rast rekristaliziranih zrn v zlitini železa in silicija mikrolegirani s selenom in kositrom Recrystallized Grain Grovvth in Iron and Silicon Alloy, Microalloyed with Selenium and Tin B. Drofenik, Železarna Ravne, Ravne na Koroškem F. Vodopivec, M. Jenko, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, Ljubljana Od neorientiranih elektro pločevin zahtevamo optimalne magnetne lastnosti, predvsem nizke vatne izgube. Te so odvisne od količine silicija (od 0.8 do 2.6% Si) in velikosti zrn. Vatne izgube z naraščajočo velikostjo zrn padajo. Raziskali smo vpliv površinsko aktivnih elementov selena in kositra na kinetiko rasti rekristaliziranih zrn. Za raziskavo smo uporabili trakove neorientirane elektro pločevine izdelane na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije. Iz enakih surovin sta bili izdelani dve jekli, prvo je vsebovalo mikrolegirni dodatek selena, drugo pa kositra. Primerjalno jeklo je imelo podobno kemično sestavo. Vzorce zlitin smo zarili v svinčevi kopeli pri različnih časih in temperaturah, da bi ugotovili vpliv temperature, časa in mikrolegirnih dodatkov na kinetiko rasti rekristaliziranih zrn. For nonoriented electrical sheets the optimal magnetic properties, particularly core losses are required. They depend upon the silicon content (from 0.8 to 2.6% Si) and grain size. With the increasing grains size, core losses decrease. In this paper the influence of surface active elements selenium and Tin on the kinetics of recrystallized grain grovvth was investigated. For the investigation, strips of nonoriented electrical sheets manufactured at Institute of Metals and Technologies were used. From the same raw materials two steels were produced, one microalloyed with selenium and other with Tin, while a comparing steel had similar chemical composition. The samples were heated in lead-bath at different temperatures for different length to find the influence of tirne, temperature and microalioying additions on kinetics of recrystallized grain growth. 1 Uvod Jekla z okoli 0.8-2.6f/t Si so namenjena za izdelavo elektro pločevine, ki se vgrajuje kot glavni material v različne naprave: motorje, generatorje, transformatorje (1). Elektro pločevino izdelujejo v Železarni Jesenice s kontinuirnim ulivanjem jekla v hrame ter dalje z vročim in hladnim valjanjem le-teh v trak (2-6). Od dinamo jekel zahtevamo dobre magnetne lastnosti, predvsem nizke vatne izgube. Te so med drugim odvisne od količine silicija, od čistosti jekla ter od velikosti zrn (7-12). Vatne izgube so odvisne od velikosti zrn in namen dela je bil raziskati vpliv mikrolegiranih dodatkov Se in Sn na kinetiko rekristalizacije in rasti rekristaliziranih zrn v temperaturnem območju od 675 do 825° C. Pričakovali smo vpliv teh dveh elementov, ker sta tako selen kot kositer površinsko aktivna elementa, ki segregirata po mejah kristalnih zrn in na površino pločevine pri žarjenju za rekristalizacijo in ra-zogljičenje. 2 Eksperimentalno delo Analize in preiskave smo izvršili na trakovih iz elektro pločevine izdelane na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije v indukcijski peči. Iz enakih surovin sta bili izdelani dve jekli, prvo je vsebovalo 0.040% mikrolegirnega dodatka selena, drugo 0.044%- kositra ter primerjalno jeklo, ki je bilo brez teh dveh elementov. Vzorce, ki so bili izrezani iz hladno valjanih trakov, smo zarili v svinčevi kopeli pri različnih časih 0.5 do 60 minut in temperaturah (675-825°C). Nato smo izdelali met-alografske obruse, na katerih smo določili velikost zrn po metodi merjenja povprečne površine zrn, izmerili trdoto po Vickersu ter ugotovili stopnjo razogljičenja. 3 Rezultati in diskusija 3.1 Vpliv temperature in trajanja zarjenja na trdoto Na sliki 1 in 2 je prikazana odvisnost med trajanjem žarjenja in trdoto za jekli s selenom in kositrom. V jeklu s selenom se zniža trdota na konstantno vrednost pri nižjih temperaturah po približno 3 minutah, v jeklu s kositrom po 5 minutah, kar kaže na počasnejši proces poprave ali rekristalizacije v jeklu s kositrom. Pri višjih temperaturah je trdota jekla višja, kar je posledica raztapljanja cementita pri žarjenju in premene avstenita v marten-zit pri ohlajanju, ki je izredno hitro, ker imamo tanko pločevino. 0.04 220 200 180 160 r — < I 1 81 750 "C t 725"C i i i i H |— 700 °C 675°C— i i i i [ l 10 _ 20 40 Čas (min) 60 220 200 : 180 160 ^675°C t i A-' ° V r\ 1111 750"C i i r- ,625°C 60 0.03 0,02 0.01 675 "C 750°C 775 "C 825"C 1 prim. jeklo 5 10 20 40 v , 60 Cas (min) Slika 1. Odvisnost med tranjanjem žarjenja in trdoto pri temperaturah 675, 700, 725, 750°C za jeklo mikrolegirano s selenom. Figure 1. Relationship between the hardness and the time of heating at the temperatures 675. 700, 725 and 750°C for selenium microalloyed steel. Slika 3. Vsebnost ogljika v odvisnosti od trajanja žarjenja pri temperaturah 675, 750, 775 in 825°C v jeklu z dodatkom selena. Vrisana je tudi krivulja razogljičenja za primerjalno jeklo brez mikrolegiranih dodatkov. Figure 3. Carbon eontent in dependence of the heating time at the temperatures: 675. 750, 775 and 825°C for selenium microalloyed steel. Decarburation curve for comparing steel is also given in the diagram. 0.04 0.03 0.02 0,01 _L T- -i— 4 675 "C 750°C 775 °C prim. jeklo — — _^325°C 5 10 Cas (min) Slika 2. Odvisnost med trajanjem žarjenja in trdoto pri temperaturah 675, 700, 725, 750°C za jeklo mikrolegirano s kositrom. Figure 2. Relationship between the hardness and the heating time at the temperatures: 675, 700. 725 and 750°C for Tin microalloyed steel. 5 10 20 40 v 60 Cas (min) Slika 4. Vsebnost ogljika v odvisnosti od trajanja žarjenja pri temperaturah 675, 750, 775 in 825°C v jeklu z dodatkom kositra. Vrisana je tudi krivulja razogljičenja za primerjalno jeklo brez dodatka kositra. Figure 4. Carbon eontent in heating time dependence at temperatures: 675, 750, 775 and 825°C for Tin microalloyed steel. The decarburation curve for comparing steel is also given. 3.2 Kinetika razogljičenja Hitrost rasti rekristaliziranih zrn je odvisna tudi od količine ogljika, ki je v trdni raztopini. Na slikah 3 in 4 je prikazana vsebnost ogljika po različnih časih žarjenja za jekla legirana s selenom in kositrom ter za primerjalno jeklo. Pri temperaturi 675°C razogljičenja praktično ni, pojavi se pri 750° C in več in tudi tu je počasno. Končna stopnja razogljičenja po 60 minutnem žarjenju pri 825°C je pri vseh treh jeklih podobna, le da je kinetika procesa pri jeklih s selenom in kositrom počasnejša. Najverjetnejša razlaga je, da selen in kositer zvišujeta aktivnost ogljika v feritu. Zaradi povečane aktivnosti je zmanjšana koncentracija ogljika v trdni raztopini in manjši je gradient koncentracije iz notranjosti proti površini, kar pomeni manjši tok atomov ogljika na površino pločevine in počasnejše razogljičenje. 3.3 Kinetika rasti rekristaliziranih zrn Na sliki 5 in 6 je prikazana odvisnost med trajanjem žarjenja in velikostjo zm za jekli s selenom in kositrom v semi-paraboličnih koordinatah. Pri jeklu z dodatkom selena vidimo, da se krivulje nad 750° C lomijo. Kinetiko rasti rekristaliziranih zrn opisujeta dve paraboli z obliko enačbe: Vz = K\ + I\ptel/~, kjer je A'i konstanta, Kp pa parabolična konstanta rasti. Vrednosti A"i in I\„ se po prelomu spremenita, hitrost rasti se zveča pri 750°C, pri vseh ostalih temperaturah pa se zmanjša. Pri jeklu s kositrom imamo enakomerno parabolično rast zm v vsem času žarjenja do temperature 725°C. Pri dveh najvišjih temperaturah se paraboli prelomita in rast zrn se močno pospeši. Točne razlage za naglo rast še nimamo, verjetno je zaradi razogljičenja ali zaradi interkristalnih izcejanj kositra. Ko smo primerjali obe mikrolegirani jekli s primerjalnim jeklom, smo opazili, da so pri enakih temperaturah in časih 05 1 2 3 5 10 20 «> 60 i I i i i i_I_I-1-1 1 2 3 4 5-6.7 8 V t (min) Slika 5. Odvisnost med velikostjo zrn in trajanjem žarjenja v semi-paraboličnih koordinatah za jeklo mikrolegirano s selenom. Figure S. Relationship between the grain size and the heating time in semiparabolic co-ordinates for selenium microalloyed steel. 675 700 725 750 775 800 825 Slika 7. Odvisnost med recipročno temperaturo v K in naravnim logaritmom vrednosti konstante KpA in Figure 7. Relationship between absolute temperature and the loga-rithm of I\pA and Kpg constants. 825 "C 800°C 775°C 750°C 725°C" 700 °C 675°C E E 'o x C L_ N 825°C _ _ / r ; / / / / 800«Č~ 775°C- 750 °C 725 °C w00 °C -H— 675°C 1 8 2 3 4 5 6 7 \/F (min) Slika 6. Odvisnost med velikostjo zrn in trajanjem žarjenja v semi-paraboličnih koordinatah za jeklo mikrolegirano s kositrom. Figure 6. Relationship betvveen the grain size and the heating time in semiparabolic co-ordinates for Tin microalloyed steel. žarjenja rekristalizirana zrna v jeklih s selenom ali kositrom manjša kot v primerjalnem jeklu. To kaže, da sta selen in kositer inhibitorja za rast rekristaliziranih zrn, dokler se ne sproži proces pospešene rasti, kot je to vidno v jeklu s kositrom pri najvišjih temperaturah. 3.4 Aklivacijska energija rasli rekristaliziranih zrn Na sliki 7 je prikazana odvisnost med recipročno temperaturo in naravnim logaritmom konstante I\pa in Kpb- Pri tem predstavlja /\'pA nagib krivulj pri krajših časih žarjenja, I\vb P<* pri daljših časih. Aktivacijska energija procesa rasti rekristaliziranih zrn je pri kratkih časih žarjenja praktično enaka v obeh jeklih, pri višjih temperaturah pa sta na voljo le dve točki, tako da iz večjega naklona lahko le ocenimo, da je večja aktivacijska energija. 3.5 Mikrostruktura V hladno deformiranem jeklu je mikrostruktura v jeklu s selenom (slika 8a), kot tudi v jeklu s kositrom (8b) iz podolgovatih zrn ferita, razpotegnjenih v smeri valjanja. V jeklu s selenom so po 30 sekundah in tudi še po 2 minutah žarjenja pri 675°C majhna nerekristalizirana zma. Zrna, ki pa so že rekristalizirana, niso poligonalne oblike (slika 9a). Šele po 60 minutah žarjenja opazimo enakomerna zrna normalne poligonalne oblike (slika 9b). Z rastjo temperature rekristalizacije se spreminja samo velikost zrn, oblika in enakomernost pa ostajata konstantni, prav tako ni opaziti anormalne rasti tudi pri najvišjih temperaturah 800 in 825° C (slika 9d). V jeklu s kositrom je po 30 sekundah žarjenja še precejšnja količina nerekristalizirane kovine (slika lOa), ki jo opazimo tudi še po 5 minutah žarjenja pri 675°C. Kositer je močnejši inhibitor za rast zm kot selen. Z naraščanjem temperature se povečujeta poprečna velikost in poligonal-nost zrn, pri najdaljših časih žarjenja pri 800°C in 825°C pa opazimo v mikrostrukturi že posamična zelo velika zma, značilna za proces anormalne rasti (slika lOb). 4 Zaključek Vpliv temperature žarjenja smo ugotavljali na vzorcih žaljenih v temperaturnem območju od 675 do 825°C in časih 30 sek do 60 minut. Ugotovili smo, da je pri nizkih temperaturah v obeh jeklih rast rekristaliziranih zrn zelo počasna in da so zrna manjša kot v primerjalnem jeklu brez dodatkov. To kaže, da sta selen in kositer inhibitorja za rast rekristaliziranih zrn, dokler se ne sproži proces pospešene ali zmanjšane hitrosti rasti. Kot inhibitor a) b) Slika 8. a) Mikrostruktura nežarjcnega jekla mikrolegiranega s selenom. 200x. b) Mikrostruktura nežarjenega jekla mikrolegiranega s kositrom. 200x. Figure 8. a) Microstructure of cold rolled sheet microalloyed with selenium, 200x. b) Microstracture of cold rolled sheet microalloyed vvith tin, 200x. -v. , r - . -- tU >,< .. -1 S-> , ■ y ~\n ^ P ;, r^tr „. r >, -t-. ^ ... . . -s. ^-s^r/ 'V -'arf r