Technologia ciągłego wyżarzania blach cienkich

Technologia ciągłego wyżarzania blach cienkich

Prace IMŻ 3 (2011)
1
Roman KUZIAK
Instytut Metalurgii Żelaza
TECHNOLOGIA CIĄGŁEGO WYŻARZANIA
BLACH CIENKICH
W artykule przedstawiono podstawowe informacje dotyczące technologicznych podstaw procesu ciągłego wyżarzania blach cienkich walcowanych na zimno. Cechą charakterystyczną ciągłego wyżarzania, w przeciwieństwie do
wyżarzania długookresowego w piecach kołpakowych, jest jego duża wydajność. Pełny cykl procesu: nagrzewanie,
wygrzewanie, chłodzenie i starzenie, trwa około 300–500 sekund. W tym czasie, w stali zachodzą przemiany fazowe
obejmujące rekrystalizację odkształconego ferrytu, przemianę struktury ferrytyczno-perlitycznej w austenit (podczas
nagrzewania i wygrzewania) i odwrotną przemianę austenitu w ferryt w stalach niskowęglowych lub w strukturę złożoną z ferrytu i martenzytu i/lub bainitu w stalach wielofazowych, a na końcu starzenie. Przemysłowe linie ciągłego
wyżarzania umożliwiają również przeprowadzenie operacji cynkowania. I ta możliwość jest coraz częściej wykorzystywana, zwłaszcza w produkcji blach dla przemysłu samochodowego. W artykule zawarto również informacje dotyczące
funkcjonujących rozwiązań technologicznych w liniach do wyżarzania oraz scharakteryzowano wpływ parametrów
profilu termicznego stosowanego dla różnych gatunków stali podczas procesu ciągłego wyżarzania na właściwości
mechaniczne blach.
Słowa kluczowe: blachy cienkie, wyżarzanie ciągłe, cynkowanie, profil temperaturowy, przemiany fazowe, właściwości mechaniczne
TECHNOLOGY FOR CONTINUOUS ANNEALING OF SHEET
This paper presents the basic information on technological basis for continuous annealing of cold-rolled sheets. Unlike batch annealing in bell-type furnaces, the characteristic feature of continuous annealing is its high efficiency. The
complete process cycle, i.e. heating, soaking, cooling and ageing, takes approx. 300–500 seconds. In this time, there
occur phase transformations in steel, which include recrystallisation of deformed ferrite, transformation of ferriticpearlitic structure into austenite (during heating and soaking) and reverse transformation of austenite into ferrite
in low-carbon steels and into the structure consisting of ferrite and martensite and/or bainite in multi-phase steels,
and, in the end, ageing. The industrial continuous annealing lines also allow galvanising to be carried out. And this
possibility is more and more often used, especially in production of sheets for the automotive industry. This paper
also includes the information on technological solutions existing in the annealing lines and describes the influence
of parameters of the thermal profile used for various grades of steel during the continuous annealing on mechanical
properties of sheets.
Key words: sheets, continuous annealing, galvanising, temperature profile, phase transformations, mechanical
properties
1. WSTĘP
Przed rokiem 1950 wyżarzanie blach zimnowalcowanych prowadzono wyłącznie w piecach kołpakowych.
Cechą charakterystyczną tego procesu, stosowanego
do chwili obecnej, jest długi czas obróbki cieplnej, dochodzący nawet do 50 godzin. W latach 50. XX wieku
nastąpił przełom w tej dziedzinie[1]. Po raz pierwszy
zastosowano wyżarzanie ciągłe do produkcji blach
cienkich o wysokiej wytrzymałości i bardzo dobrej ciągliwości, z przeznaczeniem do wytwarzania puszek na
konserwy. W przeciwieństwie do wyżarzania w piecach
kołpakowych, czas cyklu temperaturowego podczas
wyżarzania ciągłego wynosi zaledwie kilku minut.
Systematyczne badania nad efektywnym wykorzystaniem metody ciągłego wyżarzania do kształtowania
właściwości mechanicznych blach gorąco- i zimnowalcowanych rozpoczęto w Japonii na przełomie lat 60.
i 70. ub. wieku. W latach 70. wdrożono szereg nowych
technologii w warunkach przemysłowych. Kolejnym
etapem rozwoju linii ciągłych było uruchomienie produkcji blach głębokotłocznych i wysokowytrzymałych.
Obecnie, głównie z ekonomicznych względów, rośnie
również stopień wykorzystania linii ciągłego wyżarzania do wytwarzania blach cienkich ze stali o niższej podatności do odkształcenia plastycznego.
Stosowanie metody wyżarzania ciągłego zamiast
długookresowego obniża koszty pracy o 73% i zużycie
energii o 23% [1]. Obecnie linie technologiczne ciągłego
wyżarzania zapewniają uzyskanie znacznie szerszego
przedziału właściwości mechanicznych blach, w porównaniu do technologii bazujących na wyżarzaniu długookresowym. Do końca 1990 roku powstało 45 takich
linii przemysłowych o zróżnicowanej prędkości pasma,
od 100–300 m/min, i maksymalnej temperaturze profilu temperaturowego w przedziale 500–850°C.
2
Roman Kuziak
Prace IMŻ 3 (2011)
2. PODSTAWY METODY CIĄGŁEGO
WYŻARZANIA BALCH
Dla potrzeb niniejszego opracowania, zmiany temperatury blachy w funkcji czasu w trakcie procesu wyżarzania nazwano „profilem temperaturowym”. Podstawowymi parametrami profilu temperaturowego są
szybkość i czas nagrzewania, temperatura piku i czas
wygrzewania, szybkość chłodzenia, temperatura końca
intensywnego chłodzenia, temperatura i czas starzenia,
oraz szybkość końcowego chłodzenia. Ponieważ technologia ciągłego wyżarzania ma zastosowanie głównie do
blach cienkich, zróżnicowanie temperatury na przekroju blach w tym procesie jest małe. Z tego powodu profil
termiczny jest charakterystyczną cechą procesu; jego
parametry są zróżnicowane w zależności od gatunku
stali zastosowanego do produkcji blach.
Skrócenie czasu wyżarzania w procesie ciągłym,
w porównaniu do wyżarzania długookresowego, spowodowało wzrost wymagań odnośnie stabilności składu
chemicznego stali i profilu temperaturowego. Blachy
cienkie o niższej plastyczności wytwarza się w liniach
ciągłych poprzez zastosowanie mniej wymagających reżimów technologicznych, na ogół obniżając temperaturę
i/lub całkowity czas profilu temperaturowego. Obecnie,
coraz częściej łączy się proces wyżarzania z cynkowaniem ogniowym. Porównanie typowych profili temperaturowych dla procesu ciągłego wyżarzania i cynkowania przedstawiono na rysunku 1, zaś na rysunku 2
przedstawiono schemat linii ciągłego wyżarzania z cynkowaniem zanurzeniowym, w których realizowane są
profile temperaturowe przedstawione na rysunku 1.
Zastosowany profil temperaturowy w liniach ciągłych w przypadku blach ze stali głębokotłocznych ma
nie tylko spowodować zajście rekrystalizacji i uzyskanie odpowiedniego steksturowania ferrytu, ale również
wydzielenie węgla z roztworu stałego w postaci cząstek
cementytu i/lub cząstek (Ti,Nb)4C2S2 w stalach IF. Dla
blach ze stali BH ma on na celu regulację zawartości
węgla w roztworze stałym. Z kolei w stalach wielofazowych profil temperaturowy ma na celu uzyskanie odpowiedniego składu fazowego blach oraz odpuszczenie
martenzytu i starzenie ferrytu. Przykłady profili temperaturowych w metodzie ciągłego wyżarzania stosowanych dla blach z różnych gatunków stali przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 1. Profil temperaturowy dla procesu ciągłego wyżarzania blach cienkich (a) i wyżarzania połączonego z cynkowaniem (b)
Fig. 1. Temperature profile for continuous annealing of
sheets (a) and annealing combined with hot dip galvanising (b)
Z rysunku 3 wynika, że stale wysokowytrzymałe wymagają zastosowania niższych temperatur przestarzenia, bowiem ze wzrostem temperatury przestarzenia
maleje ich wytrzymałość. Typowy profil temperaturowy stosowany w technologii wyżarzania blach ze stali
DP przedstawiono w pracy [2].
Rys. 3. Schemat profili temperaturowych w linii ciągłego
wyżarzania blach w zależności od gatunków stali: CQ –
stale zwykłej jakości; DQ – stale do tłoczenia; DDQ – stale
głębokotłoczne; EDDQ – stale ultra głębokotłoczne, HSQ –
stale wysokowytrzymałe
Fig. 3. Diagram of temperature profiles in the line for continuous annealing of sheets, depending on steel grades:
CQ – commercial quality; DQ – drawing quality; DDQ –
deep drawing quality; EDDQ – extra deep drawing quality,
HSQ – high-strength quality
Rys. 2. Przykładowy schemat linii technologicznej ciągłego wyżarzania z cynkowaniem zanurzeniowym
Fig. 2. Example diagram of process line for continuous annealing with hot-dip galvanising
Prace IMŻ 3 (2011)
Technologia ciągłego wyżarzania blach cienkich
3. TECHNOLOGIA CIĄGŁEGO
WYŻARZANIA
W porównaniu do wyżarzania długookresowego, proces ciągły charakteryzuje się bardzo dużą szybkością
nagrzewania i krótkim czasem wygrzewania. Blacha
walcowana na zimno, zwinięta w krąg, przeznaczona
do procesu ciągłego wyżarzania, jest rozwijana. Początek pasma jest przygrzewany na zakładkę do końca pasma, które aktualnie poddawane jest zabiegowi
wyżarzania. Przed wyżarzaniem powierzchnia blachy
jest oczyszczana ze smarów walcowniczych za pomocą
wodnego roztworu wodorotlenku sodu, oraz z innych
osadów za pomocą szczotki obrotowej. Dalsze oczyszczanie powierzchni ze smarów następuje podczas nagrzewania blachy w strefie wstępnego nagrzewania.
Wysoka temperatura w tej strefie, kształtująca się
w przedziale 1200–1230°C, powoduje odparowanie
zanieczyszczeń. Z uwagi na krótki okres przebywania
w tej strefie, wynoszący zaledwie kilka sekund, blacha
nie osiąga tak wysokiej temperatury, jak temperatura
strefy. Produkcja blach cynkowanych typu „full hard”
wymaga bardzo precyzyjnej kontroli procesu odtłuszczania powierzchni, w celu zapewnienia odpowiedniej
zwilżalności ciekłego cynku, a równocześnie zachowania wymaganej wytrzymałości blachy poprzez kontrolę
procesu rekrystalizacji. Bardzo dobrym materiałem dla
uzyskania tej kategorii blach są stale zawierające dodatek tytanu, dzięki któremu można je nagrzewać do wysokich temperatur bez spowodowania istotnych zmian
w strukturze. Blacha po opuszczeniu strefy wstępnego
wyżarzania wchodzi w strefę nagrzewania/wygrzewania, do której wprowadzana jest atmosfera redukcyjna,
zapobiegająca nie tylko powstawaniu powierzchniowej
warstwy tlenków, ale również powodująca redukcję
tlenków powstałych wcześniej. Temperatura tej strefy może osiągać wartość do około 900°C. Czas przebywania blach cienkich w tej strefie dla uzyskania przez
wymaganej temperatury wygrzewania wynosi około 10
sekund. W przypadku blach grubych może on wynosić
kilka minut. Maksymalne temperatury, do których
nagrzewane są blachy, mieszczą się w przedziale 700–
850°C. Zmiana profili temperaturowych, wymagana
przy zmianie gatunków stali lub grubości pasma, realizowana jest przez sterowanie prędkością przesuwu
blachy. Bezpośrednio po wygrzewaniu, blacha przechodzi do strefy chłodzenia. W liniach ciągłego wyżarzania
stosowane są różne systemy chłodzenia, umożliwiające
uzyskanie dużych szybkości chłodzenia. System chłodzenia w liniach wyposażonych w urządzenia do cynkowania nie pozwala jednak uzyskać dużych szybkości
chłodzenia. Składa się on z dysz powietrznych i wentylatorów. Celem chłodzenia jest uzyskanie temperatury blachy, bezpośrednio przed zanurzeniem, zbliżonej
do temperatury kąpieli cynkowej. Niska temperatura
blachy spowodować może osadzanie się aluminium na
powłoce cynkowej, co powoduje jej przyleganie do rolek
prowadzących, a następnie odrywanie warstwy cynku,
co znacznie pogarsza jakość powierzchni. Zbyt wysoka temperatura może zaś spowodować powstanie zbyt
grubej warstwy przejściowej Zn-Fe. W liniach ciągłych,
bez cynkowania, stosowane są bardziej zaawansowane
systemy chłodzenia, które scharakteryzowane zostaną
w dalszej części opracowania.
Pokrywanie powłoką ochronną przeprowadza się
w zbiorniku z kąpielą Zn lub Zn-Al w momencie, gdy
3
temperatura blachy osiągnie wartość zbliżoną do temperatury kąpieli. Po opuszczeniu zbiornika grubość powłoki ochronnej regulowana jest za pomocą „noża powietrznego”. Parametrami, które wpływają na grubość
powłoki jest ciśnienie powietrza i odległość szczeliny
wyjściowej od blachy.
Blachy pokryte powłoką na bazie cynku, bardzo często
poddawane są procesowi przeżarzania, który powoduje
tworzenie się faz z układu Fe-Zn. Proces ten polega na
bardzo szybkim nagrzewaniu blachy za pomocą palników. Temperatura i czas procesu przeżarzania jest tak
ustalony, aby uzyskać odpowiedni skład fazowy powłoki. Z uwagi na przyczepność powłoki stosuje się go do
blach przeznaczonych na wyroby, których powierzchnia jest pokrywana farbą. Powłoka po przeżarzaniu nie
zabezpiecza jednak tak efektywnie przed korozją, jak
bezpośrednio po cynkowaniu.
Wydajność urządzeń do ciągłego wyżarzania jest bardzo wysoka. W przypadku blach karoseryjnych osiągać
może nawet 280 t/h przy szybkości przemieszczania
blachy około 800 m/min.
Funkcjonujące obecnie linie ciągłego wyżarzania
można podzielić można na trzy kategorie [1]:
– Do wyżarzania i cynkowania blach o małych wymiarach (grubość/szerokość), charakteryzujące się niską
temperaturą maksimum profilu temperaturowego
i dużą prędkością przesuwu blachy (600 m/min).
– Do wyżarzania blach cienkich o dużej szerokości
z wysoką temperaturą profilu temperaturowego.
– Linie wielofunkcyjne, przeznaczone zarówno do wyżarzania w połączeniu z cynkowaniem, jak i bez cynkowania, w których warunki wyżarzania ustalone są
na zasadzie kompromisu między dwoma poprzednimi typami linii.
Cechą charakterystyczną linii ciągłego wyżarza jest
ich podział na strefy charakteryzujące się zróżnicowanymi warunkami wymiany ciepła. Czas przebywania
blachy w poszczególnych strefach regulowany jest
poprzez prędkość jej przesuwu oraz liczbę pionowych
rolek prowadzących. W większości rozwiązań, linia
technologiczna do wyżarzania ciągłego składa się z następujących stref [3]:
– Strefa wstępnego nagrzewania, w której następuje
wzrost i ustabilizowanie temperatury blachy.
– Strefa nagrzewania, w której temperatura rośnie
szybko.
– Strefa wygrzewania, w której temperatura blachy
rośnie bardzo wolno, ewentualnie utrzymuje stałą
wartość.
– Strefa wolnego chłodzenia.
– Strefa intensywnego chłodzenia.
– Strefa starzenia.
– Strefa końcowego chłodzenia.
Po schłodzeniu do temperatury otoczenia, blachy na
ogół poddawane są walcowaniu wygładzającemu z gniotem poniżej 1%. Celem tej operacji jest wyeliminowanie zjawiska zlokalizowanego płynięcia plastycznego
(wyraźnej granicy plastyczności), które niekorzystnie
wpływa na jakość powierzchni.
Charakterystyka poszczególnych stref linii do ciągłego wyżarzania przedstawia się następująco:
Strefa wstępnego nagrzewania
Blacha w tej strefie nagrzewana jest za pomocą gazów odzyskanych ze strefy nagrzewania, w której sto-
4
Roman Kuziak
sowane są promienniki rurowe. Obecnie, w użyciu są
trzy typy systemów wstępnego nagrzewania.
– Bezpośrednio wykorzystujące gazy z promienników
rurowych. Są one bardzo wydajne, jednak powierzchnia blachy podlega znacznemu utlenianiu.
– Systemy wykorzystujące powietrze nagrzane za pomocą wymienników ciepła, do których wprowadza się
gazy spalinowe ze strefy nagrzewania. Są one mniej
efektywne od systemów bezpośredniego nagrzewania. Podobnie jak w przypadku sekcji bezpośrednio
wykorzystujących gazy z promienników, tutaj również utlenianie powierzchni jest dużym problemem.
– Systemy nagrzewania za pomocą gazów obojętnych
podgrzewanych przez wymienniki ciepła. Ten typ
nagrzewania jest najmniej wydajny, jednak w odróżnieniu do ww. typów zapobiega on utlenianiu powierzchni blach.
Strefa nagrzewania
W strefie tej blacha, przemieszczająca się pionowo do
góry i w dół na długości do około 20 m, jest nagrzewana
do wymaganej temperatury piku profilu termicznego za
pomocą promienników rurowych. Promienniki rurowe,
które znajdują się w wolnych przestrzeniach między
segmentami blachy, nagrzewane są gazami spalinowymi. Maksymalna temperatura blachy uzyskiwana w tej
strefie wynosi około 900°C, jednak w praktyce mieści
się ona w przedziale 800–900°C. Czas, w którym blacha przebywa w strefie nagrzewania jest na ogół tak
ustalany, aby proces rekrystalizacji ferrytu został zakończony przed wejściem jej do strefy wygrzewania.
Strefa wygrzewania
Temperatura w strefie wygrzewania jest ustalana za
pomocą promienników rurowych lub grzejników elektrycznych. W porównaniu do konwencjonalnych metod
obróbki cieplnej, czas wygrzewania jest stosunkowo
krótki, na ogół wynosi 10–20 sekund, Rozmieszczenie
promienników rurowych oraz konstrukcja strefy powinny zapewnić uzyskanie znikomego zróżnicowanie
temperatury na przekroju i długości blachy.
Prace IMŻ 3 (2011)
stwa i odizolowania strefy intensywnego chłodzenia od
reszty linii technologicznej. Stosowane są również inne
systemy intensywnego chłodzenia. Przykładem mogą
być rolki odginające blachę, chłodzone od wewnątrz
wodą. System ten jest obecnie w fazie rozwoju. Z uwagi
na fakt, iż charakteryzuje się on niskimi kosztami eksploatacyjnymi, może być stosowany z innymi systemami chłodzenia. Niekorzystną cechą tego systemu jest
duża niestabilność warunków odprowadzania ciepła.
Ponadto, w liniach ciągłych stosowane są trzy wysokowydajne systemy intensywnego chłodzenia:
• Chłodzenie za pomocą natrysku wodnego;
Metoda chłodzenia za pomocą strumienia wody zapewnia osiągnięcie największych szybkości chłodzenia (500–1000°C/s), jednak może ona być stosowana
jedynie do wytwarzania blach ze stali wysokowytrzymałych.
• Chłodzenie za pomocą gorącej wody (HOWAQ)
Chłodzenie przeprowadza się w zbiornikach napełnionych gorącą wodą. Blachy cienkie po zastosowaniu
tego sposobu chłodzenia charakteryzują się bardzo
dobrą jakością powierzchni, zaś szybkość chłodzenia
wynosi do około 150°C/s. Jednak metoda ta jest niewydajna dla temperatur poniżej 500°C.
• Chłodzenie mgłą wodno-powietrzną.
System chłodzenia mgłą wodną opracowała firma
NSC. Działa on w połączeniu z systemem nagrzewania indukcyjnego blachy. Jest on dedykowany technologiom, w których wymagane są duże szybkości
chłodzenia i wyżarzania blachy w warunkach izotermicznych (produkcja blach ze stali TRIP). Stosowanie wysokowydajnych systemów chłodzenia pogarsza
jakość powierzchni, na której tworzy się warstwa
tlenków.
Linie ciągłego wyżarzania umożliwiają produkcję
blach o szerokości 600–1850 mm i grubości 0,15–3,0
mm. Zakres produkcji obejmuje blachy ze stali niskoi wysokowęglowych, do tłoczenia, głębokotlocznych,
HSLA, DP, TRIP, na ogół z zastosowaniem cynkowania.
Strefa spowolnionego chłodzenia
Po wygrzewaniu następuje wolne chłodzenie blachy
z szybkością około 10°C/s do temperatury w przedziale
650–670°C. Spadek temperatury blachy uzyskiwany
jest w wyniku strat radiacyjnych oraz w wyniku łagodnego przepływ atmosfery gazowej.
Strefa intensywnego chłodzenia
Strefa ta ma bardzo duże znaczenie dla procesu ciągłego wyżarzania. Wykorzystuje się w niej wiele systemów chłodzenia, jednak najczęściej używany jest
system chłodzenia za pomocą strumienia gazu (mieszanina gazów lub wodór). W przypadku chłodzenia za pomocą atmosfery gazowej, stosuje się gazy schładzane w
wodno/gazowych wymiennikach ciepła. Gazy te z dużą
szybkością uderzają o powierzchnię blachy. Metoda
ta umożliwia uzyskanie szybkości chłodzenia blachy
w granicach 70–80°C/s. Jednak jest ona bardzo kosztowna z uwagi na duży pobór mocy przez dmuchawy
wymuszające obieg gazu. Stosowanie wodoru w atmosferze, w ilości 50–60%, może spowodować wzrost szybkości chłodzenia do około 100°C/s, przy jednoczesnym
obniżeniu kosztów eksploatacyjnych. System chłodzenia za pomocą atmosfery zawierającej wodór wymaga
jednak stosowania specjalnych procedur bezpieczeń-
4. WPŁYW PARAMETRÓW PROFILI
TEMPERATUROWYCH W PROCESIE
WYŻARZANIA NA MIKROSTRUKTURĘ
I WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE
BLACH DO TŁOCZENIA I BLACH
GŁĘBOKOTŁOCZNYCH
Najważniejszą grupą stali poddawanych procesowi
ciągłego wyżarzania są stale do tłoczenia i głębokotłoczne. Sposób nagrzewania tych stali powinien zapewnić
uzyskanie w pełni zrekrystalizowanej mikrostruktury
o wyróżnionej orientacji ferrytu z płaszczyznami krystalicznymi typu (111) równoległymi do płaszczyzny
walcowania. Natomiast podczas chłodzenia niezwykle
istotna jest kontrola zawartości węgla w roztworze stałym (rys. 4). Znaczenie kolejnych etapów chłodzenia
przedstawia się następująco:
– cd – wolne chłodzenie: zapobiega odkształceniom pasma, w trakcie chłodzenia zapoczątkowany zostaje
proces segregacji węgla do granic ziaren;
– de – intensywne chłodzenie, umożliwia uzyskanie
dużego przesycenia roztworu stałego atomami węgla.
Pozwala to uzyskać dużą wartość siły napędowej dla
Prace IMŻ 3 (2011)
Technologia ciągłego wyżarzania blach cienkich
5
Rys. 4. Segregacja węgla w blachach do tłoczenia w procesie wyżarzania ciągłego
Fig. 4. Carbon segregation in drawing quality sheets during continuous annealing
procesu wydzieleniowego cementytu podczas przestarzenia (e-f).
– de’ – chłodzenie wodą to temperatury otoczenia,
a następnie przestarzenie (sposób alternatywny).
Proces wydzieleniowy cementytu podczas przestarzenia może zachodzić poprzez dyfuzję węgla i wydzielanie w granicach ziarn ferrytu lub poprzez zarodkowanie i wzrost wewnątrz ziarn. Mechanizm tego procesu
zależy od stopnia przesycenia roztworu stałego atomami węgla oraz od temperatury. Optymalny sposób
chłodzenia powinien ograniczyć drogę dyfuzji węgla
dla procesu wydzieleniowego oraz stworzyć warunki do
szybkiego postępu procesu przestarzenia, co powoduje
uzyskanie dużych rozmiarów cząstek cementytu. Występowanie drobnych cząstek cementytu w strukturze
powoduje wzrost wytrzymałości blach, co obniża ich
podatność na odkształcenia plastyczne. Badania Obary
pokazały, że wzrost udziału zarodkowania cementytu
w osnowie ferrytu uzyskać można poprzez wzrost szyb-
Rys. 5. Zależność granicznej wielkości ziarna ferrytu, przy
której rozpoczyna się proces wydzieleniowy cementytu
w osnowie ferrytu od temperatury przestarzenia i szybkości chłodzenia [3]
Fig. 5. Relationship between the limit ferrite grain size at
which the process of cementite precipitation in ferrite matrix starts and overageing temperature and cooling rate
[3]
kości chłodzenia i obniżenie temperatury przestarzenia
[3]. Podobny efekt wywołuje wzrost wielkości ziarna
ferrytu. Na rysunku 5 przedstawiono graniczne wielkości ziarna ferrytu, przy których rozpoczyna się proces wydzieleniowy cementytu wewnątrz ziaren ferrytu,
w zależności od szybkości chłodzenia i temperatury
przestarzenia.
Odległość między cząstkami cementytu zależy od
początkowego stężenia węgla w roztworze stałym, bezpośrednio po szybkim chłodzeniu do temperatury przestarzenia. Rysunek 6 pokazuje, że najmniejszą odległość między cząstkami uzyskuje się w temperaturach
przestarzenia w przedziale 250–300°C.
Konieczność zabezpieczenia antykorozyjnego blach
spowodowała szybki rozwój urządzeń do zanurzeniowego nanoszenia powłok cynkowych.
Rys. 6. Wpływ początkowej zawartości węgla w roztworze
stałym i temperatury przestarzenia na średnią odległość
między węglikami [4]
Fig. 6. Effect of initial carbon content in solid solution and
overageing temperature on average distance between carbides [4]
6
Roman Kuziak
5. PRODUKCJA BLACH ZE STALI
WIELOFAZOWYCH DLA PRZEMYSŁU
MOTORYZACYJNEGO
Metaloznawcze podstawy oraz metody wytwarzania
blach cienkich ze stali wielofazowych dla przemysłu
motoryzacyjnego były przedmiotem publikacji autora
[5]. Linie ciągłego wyżarzania coraz szerzej stosuje się
do produkcji blach cienkich ze stali wysokowytrzymałych dla przemysłu samochodowego. Elementy stosowane obecnie w konstrukcji samochodu muszą charakteryzować się następującymi cechami:
– obniżona masa,
– duża sztywność konstrukcji,
– wysokie standardy dotyczące bezpieczeństwa podczas zderzenia.
W zależności od charakterystyki obciążenia i kryteriów projektowych, do produkcji elementów karoserii
powinno stosować się materiały o optymalnych wskaźnikach En/U lub Gn/U oraz Rp0.2/U (E – moduł sprężystości, G – moduł odkształcenia postaciowego). Wartość
wykładnika n zależy od charakterystyki obciążenia
elementu oraz od kryteriów konstrukcyjnych i mieści
się w przedziale 0,33–1,00. Zatem współczynniki sprężystości, gęstość i granica plastyczności są podstawowymi wskaźnikami decydującymi o zastosowaniach
różnych gatunków stali Bardzo ważnym zagadnieniem
w stosowaniu stali do produkcji elementów karoserii
samochodowych jest ich plastyczność technologiczna
oraz podatność do spawania i zgrzewania. Czynnikami,
które decydują o stosowaniu stali, jako materiału konstrukcyjnego dla przemysłu motoryzacyjnego są niskie
koszty produkcji w porównaniu do innych materiałów
oraz możliwość recyklingu.
Dla sprostania wymaganiom użytkowym opracowano różne gatunki stali wysokowytrzymałych, wywodzących się ze stali niskowęglowych uspakajanych aluminium. Do stali tych zalicza się stale wolne od atomów
międzywęzłowych – stale IF, stale BH, których charakterystyczną cechą jest wzrost granicy plastyczności w procesie wyżarzania lakieru. Stale BH znajdują
zastosowanie w produkcji elementów karoserii, od których wymaga się odporności na wgniecenia. Stale te są
umacniane roztworowo (Mn, P, Si), zaś górne wartości
granicy plastyczności uzyskiwane dla blach z tych stali
wynoszą odpowiednio 320 i 450 MPa.
Stale o wyższej wytrzymałości od stali IF i BH uzyskuje się z wykorzystaniem umocnienia wydzieleniowe-
Prace IMŻ 3 (2011)
go. W ten sposób opracowano grupę stali typu wysokowytrzymałych umacnianych wydzieleniowo (HSLA) do
zastosowań w przemyśle samochodowym. Negatywną
cechą tych stali jest silne obniżenie plastyczności wraz
z jednoczesnym wzrostem ich wytrzymałości. Z tego powodu obserwuje się obecnie duży rozwój stali typu DP,
których struktura umożliwia połączenie bardzo dobrej
plastyczność z wysoką wytrzymałością. W zależności
od udziału objętościowego martenzytu/bainitu, stale
DP wytwarzane są obecnie w następujących kategoriach wytrzymałości: 450, 500, 600 MPa. Możliwe jest
jednak uzyskanie wytrzymałości znacznie wyższych tj.
800, 1000, 1200 i 1400 MPa.
Dalszym krokiem w rozwoju wysokowytrzymałych
stali, charakteryzujących się dobrą ciągliwością i plastycznością technologiczną było opracowanie produkcji
blach cienkich ze stali TRIP. W strukturze tych stali
występuje austenit szczątkowy (6–12%), który podlega
przemianie w martenzyt podczas odkształcenia plastycznego. Zjawisko to powoduje, że stale TRIP cechują
się doskonałą charakterystyką umocnienia przy bardzo
wysokiej wytrzymałości (600, 700 i 800 MPa). Podobnie, rozwijane są również technologie ciągłego wyżarzania blach ze stali CP i MART.
6. PODSUMOWANIE
W ostatniej dekadzie, intensywnemu rozwojowi podlegają technologie ciągłego wyżarzania blach głęboko- i ultragłębokotłocznych oraz blach ze stali wielofazowych dla przemysłu motoryzacyjnego z powłokami
cynkowanymi. Technologia ta jest bardziej efektywna
ekonomicznie i zapewnia uzyskanie zróżnicowanych
właściwości mechanicznych, a przede wszystkim dużą
jednorodność tych właściwości na długości i szerokości
pasma, w porównaniu do metody wyżarzania długookresowego. Z tego powodu wzrasta zapotrzebowanie
na blachy wytwarzane tą metodą. Stosowanie ciągłego
wyżarzania wymaga bardzo precyzyjnego kontrolowania składu chemicznego i parametrów profilu temperaturowego. Osiąga się to poprzez sterowaniem komputerowe – on line, przebiegiem procesu. Umożliwia to nie
tylko utrzymywanie wymaganych reżimów technologicznych, ale także szybkie przejście na produkcję zróżnicowanego asortymentu blach. Z tego powodu można
przewidywać ciągły rozwój tej technologii i rozszerzanie asortymentu produkcji.
LITERATURA
1. Materials Science and Technology, A Comprehensive Treatment, vol.7 Constitution and Properties of Steels, ed. R.W.
Cahn, P. Haasen, E.J. Kramer, VCH 1992, 293
2. Molenda R., Kuziak R.: Prace IMŻ 2 (2011), 29.
3. Obara T., Satoh S., Irie K.: Proc. Symp. On Metallurgy and Continuously Annealed Sheet Steel: eds. B.L. Briamfitt, P.L.Mangonon, Warrendale, AIME, 1982, 83.
4. Katoh H., Takeichi H., Takahashi N., Abe M.: Proc. Symp. On
Technology of Continously Annealead Cold Rolled Sheet Steel,
Ed. R. Pradham, Detroid, 1984, AIME, 37.
5. Kuziak R., Kawalla R., Waengler S.: Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol, VIII, 2008, No.2, 103.
Pracę wykonano w ramach projektu NR07-005310/2011.