Prispevek k osvajanju jekel z dua/no mikrostrukturo UDK: 669.017:620.18 ASM/SLA: M26, 27 Aleksander Kveder Z laboratorijsko izdelavo talin določenih sestav in z ustreznimi preiskavami smo ugotavljali lastnosti jekel, predvsem s takimi sestavami, ki ne zahtevajo uporabe uvoznih ferozlitin. Bloke talin smo izvaljali v trakove, jih toplotno obdelali in izvršili ustrezne preiskave. A. UVOD Uvodni del z literaturnimi podatki bo zelo kratek, ker je že bil objavljen pregledni članek B. Pretnarja (IMV) (Železarski zbornik, 1983, 17, št. 3), v katerem je avtor zbral večino rezultatov in praktičnih izkušenj, ki so jih do sedaj dosegli s temi jekli v svetu. Feritno-martenzitna jekla ali dualna jekla se vključujejo v skupino nizkoogljičnih in malolegiranih jekel z visoko trdnostjo. Za HSLA (High Strenght Low Alloy) jekli, katerih odlične trdnostne lastnosti dosegamo z iz-ločevalnimi efekti mikrolegiranih elementov (Nb, V, Ti), so se pojavila ta »dual phase« jekla s čisto drugačnimi lastnostmi in uporabnostjo. Ta jekla namreč pokažejo svoje prednostne lastnosti šele pri uporabi, pri uvijanju, zavijanju, vtiskanju, prešanju, valjanju — torej povsod tam, kjer je treba pločevino bolj ali manj močno deformirati, da pridemo do končnega izdelka. Jeklo ima namreč lastnost, da se pri vsaki hladni deformaciji oziroma preoblikovanju močno utrjuje. Pravimo, da ima visok eksponent utrjevanja. Zato ni čudno, daje to jeklo našlo svoje mesto najprej na področjih, kjer sta pomembna teža in energija. Sedaj se za ta jekla, ki jih izdelujejo največ do debeline 6 mm (večinoma pa precej manj), največ zanima avtomobilska industrija. Ta jekla niso več samo »modna muha« raziskav, temveč so že postala stvarnost. Zaradi svojih specifičnih lastnosti jih uporabljajo v avtomobilski industriji za izdelavo koles, nosilcev, opornikov itd. Ker imamo drago avtomobilsko proizvodnjo in zamotano železarsko proizvodnjo izdelkov, bi bilo prav, da se z več poguma vključimo v proizvodnjo tega novega materiala. Cilj te raziskave je bil, da mu z določenimi predpreizkusi utremo pot tudi pri nas. Kljub bogatim literaturnim podatkom ta pot ni lahka, saj v sedanjih časih ne moremo kopirati tujih jekel, ki vsebujejo nekatere idealne elemente, kot so Mo, V. Zato je bil naš namen, da s ferozlitinami domače proizvodnje ustvarimo jeklo dualne strukture z vsemi njegovimi značilnimi lastnostmi, ki bi obenem ustrezalo tehnološkim možnostim železarne. V opisu naloge, ki sledi, nam je to delno uspelo, nekaj pa tudi ne. Kljub temu mislimo, da gremo lahko na pravi preizkus izdelave tega jekla v industrijskem merilu. B OPIS PREISKAV IN REZULTATI 1. Taline Naša osnovna ideja je bila, da naj bi izdelali preizkusne taline naslednje sestave: 0,03-0,09% C 1 % Si 1,5 % Mn 0,6 % Cr (V proizvodnih razmerah bi bil priporočljiv tudi dodatek cera, za kontrolo izoblikovanosti vključkov. V naših razmerah to ni bilo potrebno, ker smo delali z zelo čistim vložkom (0,015 % P in 0,015% S)). Sestave talin so prikazane v tabeli 1. Tabela 1: Sestave preizkušanih talin Jeklo C Si Mn P S Cr Al, Dual 1 0,09 1,48 1,49 0,01 0,016 0,59 0,013 Dual 2 0,03 1,40 1,62 0,01 0,016 0,60 0,020 Dual 3 0,03 1,13 1,64 0,016 0,016 0,68 0,120 Dual 4 0,05 0,85 1,48 0,018 0,014 0,66 0,025 2. Taljenje in predelava talin Taline smo izdelali v 20-kilogramski indukcijski peči. Ingoti so bili težki okoli 18 kg. Najprej smo jih pre-kovali v ploščate slabe, debeline okoli 50 mm, nato pa prevaljali v trakove, debeline 2,7 do 3 mm. Začetne temperature valjanja so bile okoli 1250°C. Trakovi so se po valjanju ohlajali na zraku. V nadaljnjem označujemo to stanje kot »valjano«. Razen tega smo preizkušali te trakove tudi v normaliziranem stanju in več stanjih med-kritičnega žarjenja. Pred valjanjem slabov v trakove smo slabe površinsko predsicoblali, predvsem zaradi lepše površine in da odpravimo razogljičenje. Dejansko so imeli vsi izvaljani trakovi zelo lepe površine, pa tudi razogljičenja so bila minimalna. 3. Preliminarni preizkusi medkritičnih žarjenj Iz izvaljanih trakov smo najprej izrezali kose dimenzij okoli I00x 100 mm za preizkuse različnih toplotnih obdelav, predvsem medkritičnih žarjenj in za metalo-grafske preiskave. V nadaljnjem označujemo medkriti-čno žarjenje vzorcev in preizkušancev z oznako MŽ in dodatno s temperaturo žarjenja in načinom hlajenja. Vzorce I00x 100 mm smo po rezultatih dilatometr-skih krivulj žarili na različnih temperaturah, jih različno ohlajevali in merili trdote HV. Odločil je seveda meta-lografski pregled, ki je pokazal bolj ali manj pravilna sorazmerja med feritom in martenzitom. Vsi navedeni rezultati so prikazani na tabeli 2. Moramo poudariti, da smo vzorce žarili na temperaturah le kratek čas, po segretju na temperature le še nekaj minut. Tabela 2: Trdote po različnih toplotnih obdelavah Toplotna obdelava Trdote HV pri talinah Dual 1 Dual 2 Dual 3 Dual 4 MŽ 760° voda MŽ 760° zrak 257 266 MŽ 780° voda MŽ 780° olje MŽ 780° zračni tok MŽ 780° zrak 286 282 265 270 226 220 212 210 216 212 214 206 MŽ 800° voda MŽ 800° olje MŽ 800° zračni tok MŽ 800° zrak 304 285 281 279 239 247 MŽ 825° voda MŽ 825° olje MŽ 825° zračni tok MŽ 825 zrak 245 245 233 240 Tabela J: Mehanske lastnosti Dual jekel Jeklo Toplotna R, iu Rm Raztezek obdelava N/mm' N/mm' % Dual Valjano 559 781 14 Normaliz. 401 715 19 MŽ 750 voda 491 788 — MŽ 750 zrak 451 733 — MŽ 780 voda 517 835 15 MŽ 780 zrak 618 829 15 MŽ 800 voda 739 989 15 MŽ 800 zrak 710 842 10 Dual Valjano 574 698 12 Normaliz. 385 623 21 MŽ 750 voda 440 588 16 MŽ 750 zrak 448* 574 22 MŽ 780 voda 429 659 13 MŽ 780 zrak 398 600 — MŽ 800 voda 492 700 - M Ž 800 zrak 500 660 17 Dual Valjano 553* 636 17 Normaliz. 326 516 - MŽ 750 voda 512 626 16 MŽ 750 zrak 307 560 13 MŽ 780 voda 371 655 18 MŽ 780 zrak 316 619 20 MŽ 800 voda 462 712 17 MŽ 800 zrak 331 612 24 Dual Valjano 560* 662 15 Normaliz. 289 526 26 MŽ 750 voda 367 587 — MŽ 750 zrak 346 546 17 MŽ 780 voda 371 613 17 MŽ 780 zrak 384 596 17 Kljub temu da smo trakove po valjanju hladili na zraku, imajo že v tem stanju dokaj visoke trdote — od 200 do 260 HV. Vidi se, da silicij precej utrdi feritno matrico. Uporabili smo štiri načine ohlajanja: — vodo — olje — zračni tok in — mirujoči zrak. Jeklo Dual 1 ima visoka C in Si in se delno transfor-mira že pri 760". Pri 780 in 800° pa pridobi previsoke trdote. Jeklo Dual 2 ima sicer nižji C, vendar preveč Si, zato se transformacija prične precej višje. Trdote so tudi precej visoke, ker Si močno utrjuje ferit. Jekli Dual 3 in Dual 4 imata optimalni sestavni in najbolj ustrezne trdote pri 780°C. Razlika med hitrim in počasnejšim hlajenjem ni velika. 4. Mehanske lastnosti Iz trakov vseh štirih talin smo izdelali vzdolžne pre-izkušance in izvedli natezne preizkuse. Vzorci so bili v valjanem stanju, normaliziranem in medkritično žarje-nih stanjih pri dveh ali treh temperaturah, pri vsaki temperaturi z dvema skrajnima hitrostma ohlajanja — v vodi in na mirujočem zraku. Rezultati so navedeni v tabeli 3. Slika I: Zgoraj: Talina Dual 1, medkritično žarjeno na 800", hlajeno v vodi Spodaj: Talina Dual 2, medkritično žarjeno na 780", hlajeno z zračnim tokom Opomba: Številki z zvezdico pomenita naravno mejo plastičnosti. Jeklo Dual 1 z visokima C in Si je po vseh medkriti-čnih žarjenjih pretrdo, premajhne ima tudi raztezke. Jeklo Dual 2 ima sicer primerne natezne trdnosti, vendar precej visoke meje plastičnosti, kar lahko povzroča težave pri izdelavi izdelkov s hladnim deformiranjem. Najbolj primerne lastnosti imata jekli Dual 3 in 4. Ustrezne meje plastičnosti in trdnosti dosežeta že pri 750°, še boljše pa pri 780°C. Povprečne vrednosti meje plastičnosti so okoli 375 N/mra', kar naj bi bilo za du-alna jekla normalno. Obstoji pa razlika med vzorci, ki so bili hlajeni v vodi, in hlajenimi na mirujočem zraku — prvi imajo mejo plastičnosti okoli 415 N/mnf, drugi pa okoli 340 N/mm1. Pri natezni trdnosti je to razmerje 640:585 N/mm2. Pri toplotni obdelavi trakov v proizvodnji bo torej treba pospešiti hlajenje traku z zračnim tokom. 5. Strukture jekel Strukture dualnih jekel sestoje iz ferita in martenzi-ta. Koliko je ene ali druge strukturne faze, je odvisno predvsem od količine ogljika v jeklu in temperature medkritičnega žarjenja. Na sliki 1 sta prikazani dve značilni strukturi; jeklo Dual 2 s preveč ogljika in zato tudi preveč martenzita v strukturi, in jeklo Dual 3 z optimalno strukturo. C. SKLEPI Osnovni motiv raziskave ni bil kopirati nekatere znane sestave dualnih jekel iz svetovne literature in teh- nologije, temveč priti do preprostega dualnega jekla po sestavi, brez uvoznih surovin, vendar do jekla z lastnostmi, ki bi zadovoljilo naše potrebe. Dualna jekla imajo namreč take lastnosti, ki jih bo naša bodoča tehnologija težko zanemarila. To so bile v nekem smislu preliminarne preiskave, ki naj bi pokazale smer, v kateri naj bi začeli industrijske ali vsaj polindustrijske preizkuse. Preiskave smo izvedli z jekli iz domačih surovin: C, Si, Mn, Cr, event. Al, Ce in s tehnologijo, ki je pri nas možna. Ugotovili smo, da je proizvodnja dualnih jekel pri nas možna z Iegurami, ki jih imamo na razpolago, in s tehnologijo, ki nam to omogoča. Predlagamo, da se izvede polindustrijski preizkus proizvodnje dualnega jekla v naslednjih razmerah: Jeklo naj bi imelo naslednjo okvirno sestavo: 0,03 - 0,05 % C 0,80 - 1,0 % Si 1,40 - 1,60% Mn 0,40 - 0,60 % Cr (+ Al in za kontrolo oblike vključkov eventualno še dodatek Ce). Jeklo naj se normalno izvalja (Blumming, Steckel), površinsko obdela, kot je normalno pred hladnim valjanjem, nato pa interkritično žari na dinamo liniji pri 760—780°C s hitrostjo, da bo trak le nekaj minut na ustrezni temperaturi. Zaželeno je pospešeno zračno hlajenje pri izhodu iz peči, posebno če bo debelina traku presegala 2,5 mm. ZUSAMMENFASSUNG Das Grundmotiv dieser Forschungsarbeit vvar nicht einige aus der Fachliteratur bekannten Dualstahle zu kopieren, son-dern zu einem der Zusammensetzung nach einfachem Dual-stahl zu kommen ohne Importlegierungen jedoch zu einem Stahl mit den Eigenschaften die unseren Bediirfnissen entspre-chen wiirden. Die Dualstahle haben namlich solche Eigeenschaften, dass diese von unserer Zukiinftigen Technologie nicht vernachlassigt werden diirften. Das vvaren im waren Sinne Vorversuche, die die Richtung zeigen solten in Welcher die industriellen oder wenigstens halbindustriellen Versuche fuhren sollten. Die Untersuchungen sind an aus einheimischen Rohstoffen: C, Si, Mn, Cr, Al, Ce erzeugten Stahlen und der Technologie die bei uns ohne weiters moglich ist durchgefuhrt worden. Die Moglichkeit der Herstellung der Dual Stahle auf der einheimischen Basis ist durch diese Untersuchungen auch bestatigt worden. Es vvird vorgeschlagen einen halbindustriellen Versuch dei Erzeugung des Dualstahles mit folgender Zusammensetzung durchzufuhren: C 0,03-0,05%, Si 0,80—1,0%, Mn 1,4-1,6%, Cr 0,40-0,60%, Al und Ce zur Einschlussbeein-flussung. Der Stahl solite normal zu Band vervvalzt vverden und da-nach kontinuirlich bei 760 —780°C interkritisch gegluht, mit einer Geschvvindigkeit so, dass der Band nur einige Minuten der entsprechenden Temperatur ausgesetzt wird. Ervviinscht ist eine beschleunigte Luftkuhlung beim Aus-tritt aus dem Ofen, besonders bei einer Banddicke grosser als 2,5 mm. SUMMARY The basic motive of the research was not to copy some knovvn compositions of dual steel from the literature and the technologies of manufacturing, but to make a simple dual steel of such a composition that no raw materials need to be import-ed, but its properties should satisfy domestic demands. Dual steels has name!y such properties that our future technology will hardly neglect them. Thus in some extent preliminary tests were made to show the direction of industrial or at least pilot-plant tests. The investigations were made with steel manufac-tured of domestic raw materials: C, Si, Mn, Cr, event. Al, Ce, and according to the technology which can be vvithout prob-lems applied with us. the findings confirmed that manufactur- ing dual steel is possible vvith available a!loys and technology. Thus the proposal is made for a pilot-plant test to manufacture dual steel with the following approximate composition: 0,03 to 0,05 % C, 0,80 to 1.0 % Si, 1.40 to 1.60 % Mn, 0.40 to 0,60 % Cr ( + A1, and eventually stili addition of Ce to control the shape of inciusions). The steel should be normally rolled (blooming, Steckel), surface treated as it is usual before the cold rolling, then intercritically annealed on the dynamo line at 760 to 780 "C vvith such a rate that the strip will be only few minutes at the corresponding temperature. Speeded air coolling at the furnace exit is desired especially if the strip thickness exceeds 2.5 mm. 3AKJ1KDMEHHE OcHOBHOH MOTHB HCCJieflOBaHH« He 6bIJI B KOnHpOBHHHH HeKOTOpbix coaep>KaHHH nyajibHbix CTajiefl H3BecTHbix H3 mh-poBofi JiHTepaTypw h TexH0Ji0rmi, a nojiyHHTb no cocTaBy 06biKH0BeHHyK5 ,ayajibHyio crajib, 6e3 HMnopTHOro CbipbH, ho CTajlb C CBOHCTBaMH, KOTOpbie 6bl yflOBJieTBOpaJIH HaillHM tpe6obahh«m. ^yajibhbie ctajih hmchho hmciot takhe CBOHCTBa, KOTOpbie Hauia 6yaymesi TexHo.norHH eaBa jih Mor-jia npeHe6penb. 3to 6wjih b hckotopom cMbicJie npeJiHMH-HapHbie hccjieaobahha, KOTOpbie 6bi yKa3ajiH HanpaBJieHHe, b kotopom 6bi Haao HanaTb npoMbiuiJieHHbie, hjih *e, xoth, no-jiynpoMbimjieHHbie nccjienoBaHM«. HcCJiejIOBaHHH BbinOJlHHJiHCb C CTajIHMH H3rOTOBJieHHbie H3 flOMauiHero cbipbH, hmch b BHny 3JieMeHTbi: C, Si, Mn, Cr, TaK*e Al, Ce h c TexH0Ji0rneH, Kcropas b Hauieft npaKTHKH BnOJlHe B03M03KHa. yCTaHOBHJ!h, hto npOH3BOflCTBO ayajib-hwx crajieH b03m0)KHa c cnjiabamh, KOTOpbie mu HMeeM b pacnopjoKeHHH h c TexH0Ji0rHefi, KOTopa« aaet bo3m05kh0ctb BbinOJIHCHHH npOH3BOaCTBa 3THX CTajiefi. Abtop pa6oTbi npeiiJio)KHJi BbinojiHHTb nojiynpoMbiujjieH-Hoe npoH3BoncTBo ayajibHOH CTajiH b c.ne.ayK>mHx oTHomeHH-»x cocTaBa: C ...0,03-0,05% Si ...0,80-1,00% Mn ...1,40-1,60% Cr ... 0,40-0,60 % (*A1 H .3J1H npOBepKH <})OpMbl BKJlIOHeHHH TaKJKe ao6aBKH Ce). llpoKaTKa CTajiH nycTb BbinoJiHaeTca HopMajibHbiM cno-co6om (6jiK)MHHr, CTaH CTeKKejia), n0BepxH0CTH0 o6pa6oTa-eTCH, KaK 3to HopMajibHO Tpe6yeTCH nepen xojio,qHofi npoicaT-koh, h nocjie SToro noziBepraeTca Me>KKpHCTajuiHHecKOMy 06-)KHry Ha aHHaMHHecKofi jihhhh npn 760—780"C, c 6bicTpo-toh, hto6w jieHTa 6biJia Ha cooTBeTCTByiomeH TeMn-pe Jinuib HecKOJibKO MHHyT. )KejiaTejibHO, mto6w B03nyuiH0e oxjia>«ae-HHe npoKaTa npn Bbixoae H3 neMH Benocb ycKopeHHo, b oco-6eHHOCTH, ecjiH TOJimHHa aeHTbi npeBbiuiajia 2,5 mm.