A hagyományos lapos öntőforma kúpformájú rendszerének kialakítása nem a legmegfelelőbb mikroalloyos acél folyamatos öntéséhez. Ez arra is utal, hogy az öntőforma széles oldalának sarkánál szükséges a hatékony kúpozás kompenzációja, illetve a lemezes szél sarkának elcsavarodásának megakadályozása az öntés alatti szilárdulási folyamat során. Ez fokozza a széles oldal sarkánál lévő interfész rés hézagát, ami súlyosan befolyásolja a szilárdulás minőségét és a keletkező hibák kockázatát.

A szilárduló héj hőmérsékleti eloszlása az öntőforma belső és külső felületén különböző mélységekben eltérő viselkedést mutat. A szilárdulás kezdeti szakaszában, közvetlenül a meniscus alatt (0–100 mm), a szilárduló héj hőmérséklete viszonylag magas, mivel az öntőformán belüli öntőfluxus-film eloszlása viszonylag egyenletes. Azonban a héj szögének hőmérséklete gyorsan csökken, mivel a két dimenziós hőátadás hatása miatt az energiaelvonás a formában koncentrálódik. A héj lefelé mozgásával kezd kialakulni egy levegőréteg a széles oldal sarkánál, és az öntőfluxus mennyisége fokozatosan növekszik, csökkentve a hőátadást ezen a területen. 300 mm mélységben, a sarkon kívüli területeken "forró pontok" jelennek meg, melyek tovább növekednek, ahogy a héj lejjebb halad. A sarkok környezetében tapasztalható fokozott hőmérsékletváltozás, ami sérülékenyebbé teszi a szilárd héjat, különösen az öntési folyamat végén, amikor már az 500 mm-es mélységben is érezhetőek a problémák.

A szilárduló héj hőmérsékletének és hűtési sebességének változása, különösen a sarkok közelében, kulcsfontosságú a szerkezeti hibák megelőzésében. A hőmérséklet csökkentésének és a hűtési sebesség növekedésének hatása nemcsak a szilárdulás sebességére, hanem a mikroszerkezeti változásokra is hatással van. A mikroalloyos szén-nitridok, mint például a Nb, B, Al tartalmú anyagok, a szilárdulás különböző szakaszaiban csapódnak le, ami befolyásolja a szemcsék közötti határokat és a végeredményben a szilárd héj minőségét. Ez különösen érvényes a szög területére, ahol a csökkent hűtési sebesség (kevesebb mint 5 °C/s) nem teszi lehetővé a mikroalloyos szén-nitridok egyenletes eloszlását és ezzel a szemcsék közötti határok elszíneződését, aminek következményeként az öntvény törékenyebbé válik.

A szilárduló héj fejlődésének alapos megértése és a hőátadási és zsugorodási deformációk figyelembevételével az új öntőforma kialakítása segíthet a szilárdulási folyamat dinamikus változásainak kompenzálásában. A kúpos alakú öntőforma, amely jobban kompenzálja a szilárdulás során fellépő zsugorodási jellemzőket, biztosíthatja a szilárd héj körüli öntőfluxus és levegőréteg egyenletes eloszlását, ezáltal növelve a hűtési sebességet és csökkentve a szélső területek deformálódásának esélyét. A megnövekedett hűtési sebesség javítja a mikroszerkezeti jellemzők stabilitását és segít megelőzni a transzverzális repedések kialakulását, amelyek gyakran a mikroszerkezeti zárványok (pl. mikroalloyos szén-nitridok) lerakódása és a szemcsék közötti határok törékenyebbé válása miatt fordulnak elő.

A másodlagos hűtési zóna a folyamatos öntési folyamat másik kulcsfontosságú lépése, amely során az öntvény hőmérséklete jelentősen csökken, és a mikroszerkezeti változások még inkább érvényesülnek. A hőmérséklet csökkenésével párhuzamosan a szög területe fokozatosan változik, a martenzitesedésből a képlékeny szemcsék kialakulására, ami szintén befolyásolja a termék minőségét. Az öntvény sarkainál lévő repedések, ha nem kezelik őket megfelelően, végül sérüléshez vezethetnek, ami a gyártás során tapasztalt hibák kockázatát növeli.

Hogyan fejleszthető a mikro-ötvözetek szögének szemcsésedése és alkalmazása?

A mikro-ötvözetekkel készült öntött acéllemezek szögénél megfigyelhető repedések és egyéb hibák kiküszöbölésére számos fejlesztés és technológia jött létre az elmúlt évtizedekben. Az egyik legfontosabb kutatási terület ezen repedések megelőzése, melyek a folyamatok során, különösen a nagy hőmérsékleten történő szilárduláskor keletkezhetnek. Az egyik kiemelkedő probléma a szögön keletkező keresztirányú repedés, mely a mikro-ötvözetek szögében elhelyezkedő szemcséződés és a szilárdulás utáni deformációs folyamatok eredményeként jön létre.

A szög mikrostruktúrája a hagyományos folyamatos öntés folyamatoknál nagymértékben eltérhet attól, amit az új, fejlettebb hűtési technológia alkalmazásával elérhetünk. Az egyik legfontosabb újítás a kettős fázisú átmeneti hűtési technológia alkalmazása, mely jelentős javulást eredményezett a szemcsék finomításában és eloszlásában. A hagyományos öntési módszerekkel a szögben elhelyezkedő ferrit szemcsék mérete általában 95 mikron feletti, így a struktúra rideggé válik, és repedések keletkezhetnek a hőmérsékleti zónákban. Az új módszerek alkalmazásával azonban a szemcsék jelentősen finomodnak, és az eloszlásuk is egyenletesebbé válik, így javítva a szerkezet szilárdságát és hajlékonyságát.

A különböző hűtési paraméterek, mint a hűtési sebesség és a hőmérsékletváltozások figyelembevételével a mikroszerkezeti elemzések lehetővé tették a szög struktúrájának pontosabb irányítását. A megfelelő hűtési paraméterekkel az öntött acél szögének szerkezete jelentős mértékben javul, az alapvető szemcsék 15–20 mikronosra finomodnak, és a ferrit szemcsék eloszlása is egyenletesebbé válik, ezzel megelőzve a hagyományos hűtési módszerekkel gyakran tapasztalható repedések kialakulását.

Az Al-ötvözeteknél alkalmazott kettős fázisú átmeneti hűtési technológia alkalmazásával a szög struktúrája minden mélységben, például 3 mm-től 20 mm-ig, az optimális szemcseméretet és eloszlást mutatja. Az alkalmazott technológia nagy mértékben csökkenti a repedések kialakulását, és lehetővé teszi a szög hibamentes előállítását, amely megfelel a hengerművi követelményeknek, és alkalmas a további feldolgozásra.

A szög repedéseinek mechanizmusa egyértelmű: a mikro-ötvözetek szilárdulása során a karbonitrid precipitáció láncolatban helyezkedik el az austenit szemcsék határvonalainál. Ezek a karbonitrid szemcsék megbontják a szemcsehatárokat, ami a dekoltázsok képződéséhez és a szerkezet hajlékonyságának csökkenéséhez vezet. Ezt követően, amikor a lemez szilárdul, a szemcsék további deformációja során, az austenit és proeutektikus ferrit filmek közötti határvonalakon jelentős törés keletkezhet.

A legújabb fejlesztések, amelyek a kettős fázisú átmeneti hűtés alkalmazásával javítják a mikroszerkezetet, jelentősen csökkentették a hűtés okozta repedések kialakulásának kockázatát. A hagyományos folyamatok során a szög túl gyors hűtése és nem megfelelő szemcsésedése miatt gyakran tapasztalható repedés a forma szélén. Az új hűtési technológia alkalmazásával, amely fokozottan kontrollálja a hűtési sebességet a különböző rétegekben, jelentősen megnövekszik a szög hajlékonysága és ellenálló képessége a repedések kialakulásával szemben.

Fontos megjegyezni, hogy a fejlettebb hűtési technológia nemcsak a szemcsék finomítását segíti elő, hanem az egész öntési és szilárdulási folyamatot optimalizálja, így a lemezek szögénél keletkező repedések előfordulása drámaian csökken. A fejlesztett technológia bevezetése a gyártási folyamatokban lehetővé teszi a magasabb minőségű és hibamentes acéltermékek előállítását, amelyek megfelelnek az ipari követelményeknek és biztosítják a termékek megbízhatóságát és tartósságát.

Hogyan befolyásolja a héj deformációja és a hőátadás a vastag acéllap folyamatos öntési folyamatát?

A héj deformációja során a héj és a forma közötti határfelületen lévő hőátadó közeg eloszlásának jellemzőinek megértése kulcsfontosságú a lemezformában zajló nem egyenletes hőátadási viselkedés elemzéséhez. A folyékony fluxusfilm a héj deformációja és megszilárdulása alatt, különösen a széles és keskeny oldalak sarkainak közelében, döntően a meniszkusz alatti 550 mm-es magassági tartományban található. Ezen belül a film vastagsága a forma magasságával gyorsan csökken. A körkörös eloszlásban jelentős ingadozások figyelhetők meg, a vastagabb réteg a széles és keskeny oldalak sarkain kívüli területeken található, míg a középső és a sarkoktól távolabb eső részeken vékonyabb. Különösen a sarkok közelében a fluxusfilm vastagsága először növekszik, majd csökken a magasság növekedésével, ami a meniszkusz alatti 100 mm-es tartományban a héj gyors leválásával magyarázható, amikor a héj felszíni hőmérséklete még meghaladja a fluxus olvadáspontját, így a folyékony fluxus gyorsan tölti ki az interfész réseit. Ennek eredményeként az off-corner területeken a folyékony fluxusfilm vastagsága lényegesen nagyobb, mint a sarkoktól távolabb vagy a felületek középső részein, ami jelentősen növeli az adott terület összes fluxusfilm vastagságát.

A szilárd fluxusfilm a héj alakváltozása és a folyékony fluxusfilm töltő- és hőátadó hatásainak eredményeként főként a széles és keskeny oldalak sarkai körüli 0–80 mm és 0–50 mm-es tartományban koncentrálódik. Vastagsága a meniszkusztól a forma kilépési pontja felé fokozatosan növekszik, majd stabilizálódik. Az off-corner területeken a vastagság különbsége akár 0,9–1,07 mm is lehet, ami jelentősen megnöveli a hőátadási ellenállást.

Az egyik legfontosabb tényező a hőátadás hatékonyságát tekintve a levegőréteg, amely nagy hőellenállást képvisel. Az öntési folyamat során a levegőréteg először a héj sarkainál jelenik meg, mintegy 90 mm-rel a meniszkusz alatt. A széles oldalon a levegőréteg főként a sarkoktól 0–90 mm-es távolságban helyezkedik el, vastagsága pedig a forma kilépő pontjára érve akár 0,62 mm-re is megnőhet. Az off-corner területeken, a meniszkusztól 320 mm-es távolságban, szintén jelentős vastagságú levegőréteg alakul ki, amely a hőátadás csökkenését eredményezi, és „forró pontok” kialakulását okozza. Ezzel szemben a keskeny oldalon a levegőréteg elsősorban 0–10 mm-en belül képződik, vastagsága a saroknál a legnagyobb, és körülbelül 0,51 mm-rel tetőzik 375 mm-rel a meniszkusz alatt. A keskeny oldal off-corner területén a levegőréteg nem jelentős, ami azt jelenti, hogy a hőátadás ott kevésbé befolyásolt.

A hőáram eloszlása a forma magasságának irányában mutatja, hogy minél közelebb van az interfész résekhez a héj sarka, annál vastagabb a fluxusfilm és levegőréteg, és annál kisebb a rézlemez hőárama. Ez a jelenség a széles oldal off-corner területén különösen markáns, ahol a gyorsan növekvő fluxusfilm és levegőréteg miatt a hőáram jelentősen csökken, amely a hőátadás szempontjából kedvezőtlen "forró pont" kialakulásához vezet.

Fontos megérteni, hogy a héj és a forma közötti hőátadás nem csupán a fizikai vastagságoktól függ, hanem az egyes közegfázisok (folyékony fluxus, szilárd fluxus, levegő) dinamikus eloszlásától, amelyek folyamatosan változnak a szilárdulási és deformációs folyamat során. A formában kialakuló levegőrések, fluxusfilmek elhelyezkedése és vastagsága összetett, térbeli hőátadási rendszert alkot, amely befolyásolja a héj egyenletességét, szerkezeti integritását és végső anyagtulajdonságait. Ezért a folyamatos öntési technológiák fejlesztésekor elengedhetetlen ezen folyamatok pontos mérése és modellezése, különös tekintettel a héj deformációjából adódó hézagképződésre és az ebből fakadó hőátadási anomáliákra.

Miért fontos a hőkezelési folyamatok optimalizálása a mikroötvözött acélok esetén?

A mikroötvözött acélok feldolgozásánál kiemelkedő szerepe van az optimális hűtési sebesség és a megfelelő hőkezelési eljárások alkalmazásának, mivel ezek a mechanikai tulajdonságok és a repedésérzékenység szoros összefüggésben állnak. A különböző hűtési sebességek hatására kialakuló fázisátalakulások és azok hőmérsékleti jellemzői döntő fontosságúak a végtermék minősége szempontjából. Az alábbiakban a különböző hűtési sebességek hatását, valamint a hőkezelési folyamatok során bekövetkező fázisváltozásokat vizsgáljuk, kiemelve azok hatását a repedésérzékenységre és az anyag mechanikai tulajdonságaira.

Amikor a hűtési sebesség eléri a 30 °C/s értéket, az összes austenit anyag közvetlenül martenzitté alakul át. Ez azt jelenti, hogy az acél belső szerkezeti változásai következtében jelentős erőhatások léphetnek fel, amelyek különösen a termikus feszültségek következtében repedések kialakulásához vezethetnek. A fázisátalakulások jellemzésére statikus CCT (Continuous Cooling Transformation) görbét alkalmazunk, amely az egyes fázisok, mint az austenit, ferrit, perlites, bainit és martenzit átalakulásának kritikus hőmérsékleteit ábrázolja különböző hűtési sebességek mellett.

A hűtési sebesség növekedésével a fázisátalakulás kezdeti és végpontjai egyre alacsonyabb hőmérsékleteken következnek be, amit az atomdiffúzió sebességének csökkenése indokol. A ferrit átalakulás például diffúziós folyamat, amely a hűtési sebesség növekedésével lassul, és így a fázisváltás határhőmérsékletei is csökkennek. Ez a jelenség különösen akkor fontos, amikor a martenzit kialakulásához vezető hőmérsékleti tartomány elérését kívánjuk elkerülni, mivel a martenzit különösen érzékeny a repedések kialakulására.

A hűtési sebesség optimális beállítása kulcsfontosságú az acél felületén kialakuló repedések megelőzésében. Például az optimális hűtési sebesség nem lehet kisebb, mint 5 °C/s, és a megfelelő hűtési hőmérséklet elérheti a 400–450 °C-t. Ennek megfelelően a folyamat célja, hogy a martenzites hőmérsékletet elkerülve a felület stabil szerkezeti tulajdonságokat érjünk el, miközben megőrizzük a kívánt mechanikai tulajdonságokat.

A mikroszerkezeti jellemzők mellett a mechanikai tulajdonságok, mint a húzóerő és a forró szívósság, szintén meghatározóak a folyamatos öntési folyamatban. A húzóerő, amely az acél maximális terhelhetőségét jelzi, kulcsfontosságú az acél szerkezeti stabilitásának fenntartásában. A hagyományos meleg töltési folyamat és a felület kemikális hűtése közötti különbség is figyelembe kell venni, mivel a felület hűtésével a húzóerő és a forró szívósság is javul, csökkentve a repedések kialakulásának valószínűségét.

A hőkezelési folyamatok során különböző mechanikai teszteket alkalmaznak a forró szívósság és egyéb fontos paraméterek mérésére. A feszültség-nyúlás görbék elemzése, különösen a különböző hőkezelési eljárások után, megmutatja, hogyan változik az anyag mechanikai viselkedése az alkalmazott hűtési sebességek függvényében. Az ilyen tesztek eredményei alapján megállapítható, hogy a felület kemikális hűtése jelentősen javítja az acél forró szívósságát, különösen olyan hőmérsékleten, mint a 800 °C, ahol a hagyományos eljárás során a forró szívósság csökken.

A fázisátalakulások hőmérsékleti jellemzői és azok hatása a mechanikai tulajdonságokra elengedhetetlenül fontosak a repedés- és törésmegelőzés szempontjából. A hőkezelési paraméterek, mint a hűtési sebesség és a hűtési hőmérséklet precíz beállítása döntő jelentőségű a végtermék megbízhatósága és tartóssága szempontjából. Továbbá, az egyes acélok viselkedésének ismerete alapvető fontosságú ahhoz, hogy a gyártási folyamat során minimalizáljuk a hőkezelésből adódó problémákat, mint a repedések és egyéb szerkezeti hibák.

Hogyan fejlesztették ki a lemezfelület hőkezelési technológiáját a mikroötvözött acéloknál?

A mikroötvözött Nb-Ti acéllemezek felületi hőkezelési technológiájának fejlesztése jelentős előrelépést hozott a lemezek szerkezetének finomításában és a repedésállóság növelésében. A hagyományos folyamatos öntési eljárással előállított vastag lemezek széles felületének mikrostruktúrája jellemzően ferrit és perlit fázisból áll, azonban a ferrit szemcsék a Widmanstätten és a szemcsehatáron kialakuló proeutektoid ferrit film formájában vannak jelen. Ezek a szerkezetek alacsony forró szívósságot eredményeznek, ami a melegfeltöltéses hőkezelés során a szemcsehatároknál repedések kialakulásához vezethet.

A felület hirtelen lehűtési (quenching) technológiájának alkalmazása radikálisan megváltoztatja ezt a szerkezetet. A gyors lehűtés következtében a mikroötvözött acélban található karbonitrid vegyületek széles körben diffundálnak és kiválnak, így számos magkezdeményt biztosítva a ferrit képződéséhez a további hűtési szakaszban. Ennek eredményeként a ferrit szemcsék finomak és egyenletes eloszlásúak lesznek, miközben a hagyományos Widmanstätten és proeutektoid struktúrák megszűnnek.

A lehűtött lemezmag gyors újrahevítése során az előzőleg képződött finom ferrit szerkezet visszaalakul austenittá, melynek szemcséi ismét finom méretűek. Az ezt követő levegős hűtési folyamat újra ferritté és perlitté alakítja az anyagot, melyek ismét nagyon finom és egyenletesen eloszló szemcseméretű szerkezetet alkotnak. A finom szemcsék a korrózióállóság mellett a mechanikai tulajdonságokat is jelentősen javítják, különösen a felületi repedésállóságot.

A lemez sarkánál a hőkezelés során a gyors lehűtés egy acikuláris (tűszerű) ferrit mikrostruktúra kialakulását eredményezi, amely nagy szögű szemcsehatárokkal és magas diszlokációs sűrűséggel bír. Ez a szerkezet erősen szemcsefinomító hatású, és jó szilárdsági, valamint szívóssági tulajdonságokat kölcsönöz a lemeznek. A hagyományos eljárásokkal ellentétben, a felület lehűtésekor a sarkok mikrostruktúrájában gyakorlatilag megszűnik a Widmanstätten ferrit és a proeutektoid ferrit film kialakulása.

Fontos megjegyezni, hogy a felületi quenching hatása a lemez vastagságában csak korlátozott mélységig tart, általában 10–15 mm mélységig finomítja a szemcseméretet, a sarkoknál pedig ez a hatás akár 40 mm mélységig is érvényesülhet. Ez azzal magyarázható, hogy a gyors lehűtés és az azt követő újrahevítés csak a lemez felszínének közvetlen közelében tudja fenntartani a finom szerkezetet, míg a vastagabb rétegekben a mikrostruktúra közelít a hagyományos folyamatos öntési eljárás során kialakuló struktúrához.

Ez a technológia nemcsak a mechanikai tulajdonságokat javítja, hanem jelentősen csökkenti a melegfeltöltéses repedések kockázatát, ami a mikroötvözött acélok gyártásának egyik legnagyobb kihívása volt a hagyományos eljárások során.

Fontos megérteni, hogy a felület hőkezelésének sikeressége szoros összefüggésben áll a karbonitrid kiválás folyamatával és annak térbeli eloszlásával, valamint az újrahevítés során kialakuló austenit szemcsék finomságával. A szemcseméret finomítása egy olyan komplex fizikai-kémiai folyamat eredménye, amely a lehűtési sebesség, a hőmérsékleti profil és az anyag kémiai összetételének összhangján alapul.

Ezen túlmenően a felület hőkezelési technológia alkalmazásakor figyelembe kell venni az anyag vastagságából adódó hőátadási különbségeket, amelyek jelentősen befolyásolják a mikrostruktúra kialakulását a különböző mélységekben. A hőkezelési paraméterek optimalizálása elengedhetetlen a kívánt finom és egyenletes mikrostruktúra eléréséhez, amely biztosítja a lemez kiváló mechanikai és repedésálló tulajdonságait.

Hogyan alakulnak ki az állatok viselkedési mintázatai?
Hogyan alkothatunk egy aranyos, kávés világegyetemet: A rajzolás alapjai és technikák
Hogyan határozzuk meg a termékkategóriákat különböző nyelveken és kultúrákban?
Hogyan alkothatunk funkcionális és esztétikus faeszközöket? A fafaragás és a halászeszközök művészete
Milyen alapvető művészeti eszközöket válasszunk, hogy kreativitásunkat fejlesszük?