Rast rekristaliziranih zrn v zlitini Fe in Si
Recrystallized Grain Grovvth in Fe and Si Alloy
D. Hajnže, Železarna Ravne, Ravne na Koroškem
F. Vodopivec, M. Jenko, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, Ljubljana
Cilj raziskave je bil določiti kinetiko rasti rekristaliziranih zrn v hladno valjanem traku jekel za neoritentirano elektro pločevino z in brez dodatka antimona.
I/ ta namen smo s taljenjem v indukcijski peči izdelali iz enakih surovin dve vrsti jekel za neorientirano elektro pločevino. Vzorce neorientiranih pločevin obeh sestav smo žarili v svinčevi kopeli od 30 sekund do 60 minut pri temperaturah od 675 do 825° C. Izmerili smo poprečno velikost zrn, trdoto in koncentracijo ogljika, ter študirali vpliv antimona na kinetiko rasti rekristaliziranih zrn.
The aim of investigation was to determine the kinetics of recrystallized grain grovvth in cold rolled nonoriented sheets antimony microalloyed and in comparing steel vvithout antimony. The samples of both steels were heated in lead bath from 30 seconds up to 60 minutes at the temperatures from 675 to 825" C. The average grain size, hardness, carbon content and the kinetics of recrystallized grain growth were measured.
1	Uvod
Elektro pločevino uporabljajo za izdelavo električnih strojev in naprav. Izdelana je iz jekel z 0.8 do 3.2%. Si. Ta element poveča specifično električno upornost in s tem zmanjša izgube zaradi vrtinčastih lokov. Osnovno merilo za kvaliteto elektro pločevine so vatne izgube. Te predstavljajo vsoto energije, potrebne za spremembo smeri magnetenja pri določeni indukciji in energije, ki se porabi za vrtinčaste tokove. Čim manjša je ta energija, tem boljša je elektro pločevina.
Antimon je površinsko aktivni element, ki segregira po kristalnih mejah in po prostih površinah. Z dodatkom antimona v jeklo za neorientirano elektro pločevino dosežemo izboljšanje teksture in zmanjšanje vatnih izgub (1-6). Dodatek antimona je znašal 0,052% pri različnih časih segrevanja od 0.5 do 60 minut.
V delu opisujemo kinetiko rasti rekristaliziranih zrn v temperaturnem intervalu od 615-825°C v nelegiranem jeklu, ki smo ga vzeli kot primerjalno jeklo ter v jeklu, mikrolegiranim z antimonom.
2	Eksperimentalno delo
Obe jekli, primerjalno in mikrolegirano z antimonom, sta bili izdelani s taljenjem v laboratorijski indukcijski peči na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije in uliti v ingote 60x60 mm, ki so bili vroče izvaljani v trak debeline 2.5 mm in nato še hladno izvaljan do končne debeline 0.5 mm. Vzorce trakov obeh pločevin smo nato žarili v svinčevi kopeli. Raziskali in izmerili smo vpliv temperature in časa segrevanja na mikrostrukturo, velikost zrn, trdoto ter analizirali vsebnost C.
Velikost zrna smo določili z metodo poprečne površine zrn. Za kontrolo hitrosti procesa rekristalizacije in za kontrolo zmanjšanja deformacijske utrditve s popravo smo izmerili trdoto po Vickersu.
3 Rezultati in diskusija
3.1 Mikromorfologija rasti zrn
Po hladnem valjanju je mikrostruktura v nelegiranem primerjalnem jeklu, kot tudi v jeklu z dodatkom antimona, iz podolgovatih zrn ferita (sliki 1, 2).
Slika 1. Mikrostruktura hladno valjanega, nelegiranega jekla,
povečava 200x.
Figure 1. Microstructure of cold rolled nonalloyed steel, magnification
200 x.
Po 30 sek. segrevanja pri 675°C je v primerjalnem jeklu mikrostruktura iz rekristaliziranih zrn in posameznih velikih nerekristaliziranih zrn (slika 3a). Po dveh minutah žarjenja najdemo le še posamične nerekristalizirane ostanke (slika 3b). Po petih minutah žarjenja je rekristalizacija popolnoma končana. Pri temperaturi 825° C opazimo po daljšem času žarjenja anormalno rast posameznih zrn (slika 3d), zaradi anizotropije v gibljivosti kristalnih mej. Značilno za ta proces anormalne rasti so posamična velika zrna v matriksu majhnih zrn.
Slika 3. a) Mikrostruktura primerjalnega jekla, žarjenega na 675°C 30 sekund, povečava 200x. b) Mikrostruktura nelegiranega jekla, žarjenega na 675°C 2 minuti, povečava 200x. c) Mikrostruktura legiranega jekla z Sb, žarjenega na 675°C 2 minuti, povečava 200x. d) Mikrostruktura jekla legiranega z Sb, žarjenega na 825°C 60 minut, povečava 100x.
Figure 3. a) Microstructure of comparing steel heated 30 seconds at 675°C. 200x. b) Microstructure of comparing steel heated 2 minutes at 675°C, 200x. c) Microstructure of antimony alloyed steel, heated 2 minutes at 675°C, 200x. d) Microstructure of antimony alloyed steel. heated 60 minutes at 825°C, 100x.
Slika 2. Mikrostruktura hladno valjanega jekla, legiranega z anti-monom, povečava 200x.
Figure 2. Microstructure of cold rolled antimony alloyed steel. mag-nification 200 x.
V	jeklu, mikrolegiranem z antinionom je evolucija mikrostrukture pri žarjenju podobna, le-da opazimo nerekristalizirani matriks do nekoliko daljšega časa žarjenja. Pomembnejšega obsega anormalne rasti nismo opazili tudi po 60 min. žarjenja pri 825° C, ko je bila takšna rast v primerjalnem jeklu že precej izrazita.
3.2 Kinetika rasti zrn
Odvisnost med trajanjem segrevanja in velikostjo zrn je prikazana na slikah 4 in 5. Kinetiko rasti rekristaliziranih zm v primerjalnem jeklu opisujeta dve paraboli z obliko enačbe:
V Z = K\ + K p ■ tel/2.
kjer je:
V	Z velikost zrn. Ki	konstanta,
I\ p	parabolična konstanta rasti,
t	čas segrevanja.
T= 800°C
= 775 C
=750°C
T=725°C -J>T:700°C ""fT=675°C
12 3 4 5 6 7 8
/F (min)
Slika 4. Časovna odvisnost velikosti zrn po žarjenju za nelegirano jeklo.
T= 825°C
Figure 4. Relationship betueen average grain size and heating dura-tion for nonalloyed steel.
Vrednosti za aktivacijsko energijo kažejo, da segregacija antimona po mejah zrn nima zaznavnega vpliva na proces migracije mej in s tem na proces rasti zrn.
Figure 5. Relationship betueen average grain size and heating dura-tion for antimony alloyed steel.
Pri vseh temperaturah je na parabolični krivulji prelom, po katerem je hitrost rasti manjša. Zanesljive razlage preloma še nimamo. Pred časom je bila predložena hipoteza, da se hitrost rasti rekristaliziranih zrn v jeklu z 0.3% Al in 2% Si zmanjša, ko doseže količina C v raztopini ferita neko določeno vrednost (8). Kinetiko rasti v jeklu z dodatkom antimona opisuje parabola podobne oblike, le da se pojavlja prelom pri nekoliko večji velikosti zrn. To bi se ujemalo z razlago, da je ta prelom odvisen od vsebnosti ogljika v raztopini, kajti razogljičenje v jeklu z antimonom je manjše kot v primerjalnem jeklu.
Na sliki 6 je prikazana odvisnost med recipročno vrednostjo temp. in log vrednosti paraboličnih konstant rasti Kp, ki so izračunane iz naklona kinetičnih krivulj. Dobljene eksperimentalne točke so povezane s premico po Arheniussovi odvisnosti, katere naklon je proporcionalen aktivacijski energiji procesa rasti zrn. Samo v enem primeru, to je v primerjalnem jeklu v počasnejši fazi rasti (faza B) ležijo vse točke na isti premici, ki ustreza aktivacijski energiji Q4H = 186.2 kJ/molK.
10,5 10,3 10,1 9,9 9.7 9.5 9.3 9.1
-^K^tK"1)
Slika 6. Odvisnost med logaritmom vrednosti paraboličnih konstant rasti zm in recipročno vrednostjo temperature.
Figure 6. Relationship between logarithm values of parabolic con-stants and mutual value of temperature.
3.3	Razogličenje jekla med žarjenjem v svinčevi kopeli
Hitrost rasti rekristaliziranih zrn je odvisna tudi od količine ogljika, ki je v raztopini. Na sliki 7 je prikazana vsebnost ogljika po različnih časih in temperaturah žarjenja. V primerjalnem jeklu pri nižjih temperaturah praktično ni razogljičenja. Pri temperaturah 775° in 825°C pa je razogljičenje že precej izrazito in poteka po parabolični krivulji. V jeklu z antimonom je razogljičenje manjše (slika 8). Najverjetnejša razlaga za vpliv antimona na proces razogljičenja je v zvečanju aktivnosti ogljika v raztopini ferita. Zaradi povečane aktivnosti je zmanjšana koncentracija ogljika v trdni raztopini in manjši je gradient koncentracije iz notranjosti proti površini. S tem je tudi manjši tok atomov ogljika, ki prehajajo iz notranjosti na površino pločevine, kjer se vežejo v ogljikov monoksid.
3.4	Vpliv temperature in časa žarjenja na trdoto
Na slikah 9 in 10 je prikazan vpliv temperature in časa žarjenja na trdoto. V primerjalnem jeklu se trdota precej zniža že po 30 sek. žarjenja pri 675°C, konstantno vrednost doseže po 5 min. žarjenja, pri temperaturi 750°C pa že po 1 minuti žarjenja. V jeklu z dodatkom antimona je trdota po 30 sekundah žarjenja pri nizkih temperaturah precej višja kot v primerjalnem jeklu (nad 190 HV) in doseže konstantno vrednost po daljšem žarjenju. Iz rezultatov, ki so na voljo ni jasno, ali je temu vzrok počasnejša poprava, ali pa kasnejša nukleacija rekristaliziranih zrn. To bi lahko ugotovili le s pomočjo poskusov pri nizkih temperaturah, kjer bi lahko jasno razločili obe fazi procesa izločanja de-formacijske energije, popravo in rekristalizacijo.
°0 5 10 20	40	60
Čas (min)
Slika S. Časovna odvisnost velikosti zm za jeklo z antimonom.
D. Hajnže, F. Vodopivec, M. Jenko: Rast rekristaliziranih zrn v zlitini Fe in Si 0.03r
0 Lllu
0 5 10 20	40	60
Čas (min)
Slika 8. Vsebnost ogljika po različnih časih žarjenja na temperaturah 750, 775 in 800°C za jeklo z antimonom.
Figure 8. Carbon contents after different heating tirne at temperatures: 750. 775 and 800°C for antimony microalloyed steel.
10 v ' 20 Cos (min)
Slika 9. Odvisnost med trajanjem žarjenja in trdoto v temperaturnem področju 675 do 750°C za nelegirano jeklo.
Figure 9. Relationship between hardness and heating duration in the temperature range from 675 to 750°C for nonalloyed steel.
4 Zaključki
1. Antimon zmanjša hitrost razogljičenja jekla verjetno zato, ker povečuje aktivnost in zmanjšuje koncentracijo ogljika v trdni raztopini v feritu.
220
200
:r o o
"O
„ „ - 20	40	60
Čas (min)
Slika 7. Vsebnost ogljika po različnih časih žarjenja na temperaturah 675. 775 in 825°C za nelegirano jeklo.
Figure 7. Carbon contents after different heating tirne at temperatures: 675. 775 and 825°C for nonalloyed steel.
0,03
160 140
			i			
						
3L__i		—			f—	T= 750°C
	—	—		—	—	toT-725°C
	1—i		i	i	i	1 T-700 °C T:675°C
	i	i	t	—t	■—ti	
						
i I I I		i —	i			
10 20 Čas (min)
40
60
Slika 10. Odvisnost med trajanjem žarjenja in trdoto v temperaturnem področju 675 do 750°C za jeklo z antimonom.
Figure 10. Relationship between hardness and heating duration in the temperature range from 675 to 750°C for antimony microalloyed steel.
2.	V obeh vrstah jekla smo našli dve fazi rasti zrn, hitrejšo pri kratkem času žarjenja in počasnejšo po daljšem času žarjenja. Rezultati dela in podatki iz literature ne omogočajo, da bi razložili, kaj je vzrok za različnost v hitrosti rasti rekristaliziranih zrn, gotovo pa ni v zvezi z legiranjem jekla z antimonom.
3.	V nelegiranem jeklu je zmanjšanje deformacijske utrditve hitrejše, kar je lahko posledica počasnejše poprave ali pa kasnejše nukleacije rekristaliziranih zrn zaradi antimona.
4.	Vpliv antimona se je pokazal le v tem, da so bila v enakih pogojih žarjenja zrna večja po kratkem času in manjša po daljšem času žarjenja v primerjavi z nele-giranim jeklom.
5 Literatura
1	H. Shimanaka, T. Irie, K. Matsumura, H. Nakamura: J. Mag. Mag. Mat. 19 (1980) 22
2	P. Marko, A. Solyom. V. Frič: J. Mag. Mag. Mat. 41 (1984) 74
3	G. Lyudkovsky, P.K. Rastogi: Metali. Trans. 15 A (1984) 257
4	M. Jenko. F. Vodopivec. F. Grešovnik. B. Praček. M. Kern: Poročilo Metalurškega inštituta. Ljubljana. 1989 F. Vodopivec, F. Martnšek, D. Gnidovec. B. Praček. M. Jenko: J. Mag. Mag. Mat. 97 (1991) 281
6	M. Jenko, F. Vodopivec, B. Praček: Študij segregacij Sb na površini jekel za neorientirano elektropločevino z metodo AES. Železarski zbornik 25 (3) 1991. 83
7	F. Marinšek: Železarski zbornik 19. (1985), 47-48
8	F. Vodopivec. F. Marinšek, F. Grešovnik, O. Kumer: Železarski zbornik. 21 1 (1987) 29
9	G.Y. C h in: J. Mag. Mag. Mat. 9 (1987) 283
10	H.V. Atkison: Acta Metali. 36. 3 (1988) 469
11	E.D. Hondros. M.P. Seah. R.W. Chan. P. Haasen: Physi-cal Metallurgy. Nort Holland, Amsterdam 1983. 855
12	H.J. Grabke: ISIJ International 129 7 (1989) 529