A vékony lemezek szögrepedéseinek okai és kezelési módszerei a mikroötvözött acéloknál

A vékony lemezek folyamatos öntése során a legnagyobb kihívások közé tartozik a folyamat gyorsítása, a felületi repedések kialakulásának megelőzése és a szilárdulás során kialakuló egyenlőtlenségek kezelése. Az alábbiakban a vékony lemezek szögrepedéseinek kialakulásáról és az alkalmazott technológiai fejlesztésekről van szó.

A vékony lemezek öntésénél az egyik alapvető cél a vastagság csökkentése és az öntési sebesség növelése, anélkül hogy a öntőforma kapacitása csökkenne. A folyamat gyorsítása mellett azonban az öntött lemezek felületén hajlamosak a repedések megjelenésére, amelyek különösen a szög környékén jelentkezhetnek. A vékony lemezek szögrepedései elsősorban a formázás közben keletkező koncentrált feszültségek eredményeként alakulnak ki, különösen akkor, amikor az anyag szilárdulása nem homogén. A folyamat sebessége és a hűtési hatások kombinációja hatással van a lemez belső szerkezetére is, amely gyakran középső szegregációhoz vezethet.

A vékony lemezek öntése során alkalmazott folyékony mag csökkentési technológia segíthet a vastagság csökkentésében és az öntési sebesség növelésében, miközben a forma kapacitása nem csökken. E technológia egyik legfontosabb előnye, hogy a gyors szilárdulás és a megfelelő hűtés révén kisebb szegregáció alakul ki a lemez közepén. Ennek eredményeként az öntési hőmérséklet is magasabb marad, és az energiafelhasználás csökkenthető. A technológia lehetőséget ad arra is, hogy a vékony lemezek felületén a repedések kockázata csökkenjen, mivel a csökkentett szögfelület csökkenti a szilárd anyag körüli feszültségeket.

Ezen kívül a folyékony mag csökkentési technológia elősegíti a gördülőberendezés terhelésének csökkentését, egyszerűsíti a hengergép rendszert és így csökkenti a beruházási költségeket. A vékony lemezek gyorsabb öntése mellett csökken a szükséges hengerművek száma is, ami nemcsak a gyártási folyamatot gyorsítja, hanem a berendezések élettartamát is meghosszabbítja. Mindez segít a termelési vonal hosszának csökkentésében, ezzel pedig a gyártási költségek mérséklésében.

Azonban a gyors öntési sebesség és a lemez szögének alacsony hőmérséklete miatt a vékony lemezek szögrepedései könnyen kialakulhatnak. A szögrepedések megelőzése érdekében fontos, hogy a hengerműben alkalmazott hengercsökkentés mértéke ne haladja meg az 1,5 mm/ hengergörgő értéket, és hogy a szög körüli hőmérsékletet úgy növeljük, hogy az anyag melegebb maradjon, ezzel javítva a forró duktilitást. Az öntési folyamat során a szög alakjának javítása szintén kulcsfontosságú, mivel így csökkenthetjük a deformációval szembeni ellenállást, és csökkenthetjük a repedések kialakulásának valószínűségét.

A mikroötvözött acélok vékony lemezeinél az egyik leggyakoribb hiba a szögrepedések kialakulása, amely különösen a szénacél ötvöző elemeit, mint például a Nb, V, B és Al tartalmazó acéloknál figyelhető meg. Az ilyen típusú repedések mélysége elérheti a 8 mm-t, és komoly problémát okozhatnak a következő hengerműveknél. A repedések nemcsak a lemezek szögénél, hanem a hengerelt tekercsek peremén is megjelenhetnek, jelentősen rontva a végtermék minőségét.

A repedések kialakulásának egyik alapvető oka a gyors hűtési hatások és a szilárdulás mértéke közötti ellentmondás. A lemezek szögénél megjelenő mikroszerkezeti elváltozások, mint például a finom ferrit és pearlit szerkezet, jelentős hatással vannak a forró szilárdságra, és megakadályozhatják, hogy az anyag elég jól deformálódjon anélkül, hogy repedések keletkeznének. A mikroszerkezetnek a hűtési folyamat során történő finomítása csökkentheti a repedések előfordulását, de ez nem elegendő, ha az öntési paramétereket nem kezeljük megfelelően.

A kutatás során megfigyelhető, hogy a mikroszerkezeti módosítások, például a finomabb kristályszerkezetek és a szilárd oldatok, amelyek a szög repedéseinek megelőzésére szolgálnak, jelentős mértékben javíthatják az anyag melegduktilitását, ezáltal csökkentve a repedések kialakulásának esélyét. Az ilyen típusú acélok esetében fontos figyelembe venni a szénitridek jelenlétét, amelyek a kristályok határain összpontosulnak, és amelyek az anyag erősebb megerősítését eredményezik, ugyanakkor gátolják a mikroszerkezeti deformatív elmozdulásokat.

Miért fontos a megfelelő hűtési sebesség a fémötvözetek quenching folyamatában?

A fémötvözetek különböző hűtési sebességeinek hatása alapvetően meghatározza azok végső mikroszerkezetét és mechanikai tulajdonságait. Az optimalizált hűtési sebesség kiválasztása különösen fontos a bainitikus és martenzites acélok előállításában, ahol a hűtési folyamatok közvetlenül befolyásolják a finom szemcsés szerkezetek kialakulását, valamint az anyag szilárdságát és szívósságát. Az alábbiakban a különböző hűtési sebességekkel végzett kísérletek és azok hatásai kerülnek bemutatásra, figyelembe véve a minták mikroszerkezeti változásait.

A vizsgált minták először teljesen austenitizálták, majd a hűtési sebességet 0,2 °C/s sebességgel 950 °C-ra csökkentették, amely az optimális kezdő hűtési hőmérséklet. Ezt követően különböző hűtési sebességekkel, 1, 3, 5, 7 °C/s sebességgel hűtötték a mintát annak érdekében, hogy meghatározzák az optimális quenching hűtési sebességet. Az 5.12-es ábra bemutatja a minták metaloográfiai szerkezetét a kezdeti hűtési hőmérsékleten, 950 °C-on, és a különböző hűtési sebességeken. Az ábrán látható, hogy amikor a hűtési sebesség 1 és 3 °C/s, a szobahőmérsékleti szerkezet főként ferrit és perlites vegyület, amely bizonyos Widmanstatten jelleggel jelenik meg. Azonban a hűtési sebesség növekedésével a tűs ferritek száma nő, a blokk ferritek száma csökken, és a Widmanstatten kialakulásának tendenciája gyengül, miközben a ferrit szemcsék fokozatosan finomodnak.

Ahogy a hűtési sebesség eléri a 4 °C/s-t, a ferrit szemcsék finomítása tovább folytatódik, és a Widmanstatten struktúra szinte teljesen eltűnik. Ezen kívül, amikor a hűtési sebesség eléri az 5 °C/s-t, a bainites szerkezetek fokozatosan megjelennek, és szinte az összes ferrit finom tűszerkezetre alakul, miközben az orientáció egyre bonyolultabbá válik. Ez az állapot a jó szilárdságot és szívósságot biztosít, és a szemcsék finomodása is jól látható. Ha a hűtési sebesség eléri a 7 °C/s-ot, a bainites struktúrák száma növekszik, de számos finom tűs ferrit is megtalálható.

A mikroszerkezeti változások mellett a hűtési sebesség hatása az ötvözetekben lévő mikroszintű karbontitridek eloszlására és méretének alakulására is figyelmet érdemel. A hűtési sebesség növekedésével a mikroszintű karbontitridek egyre finomabbá válnak, és a hűtés alatti hatásuk segíti a szemcsenukleációt, ezzel elősegítve az austenit szemcsék finomítását. A hűtési sebesség 4 °C/s alatt a mikroszintű karbontitridek láncszerűen rendeződnek, de 5 °C/s sebességnél a karbontitridek egyenletesebben oszlanak el a szerkezetben, ami elősegíti a szemcsék finomítását és a szilárd fázisok hatékonyabb kialakulását.

Az optimális quenching hűtési sebesség meghatározása a különböző acélok esetében tehát az acél szilárdságát, szívósságát, és szemcseszerkezetét is alapvetően befolyásolja. Az ideális hűtési sebesség általában 5 °C/s felett található, ahol az austenit finom szemcséi és a bainites struktúrák optimális arányban alakulnak ki, biztosítva ezzel az anyag kívánt mechanikai tulajdonságait.

A hűtési sebesség mellett fontos szerepet kap az acél hűtési végrehajtási hőmérséklete is. Az optimális hűtési végpont meghatározása az acél struktúrája és annak a γ → α fázisátmenete alapján történik. A megfelelő hűtési végpont kiválasztása befolyásolja az acél további melegítési és hűtési folyamatait, és közvetlen hatással van a szilárd felületi réteg kialakulására. Az optimális hűtési végpont meghatározása során figyelembe kell venni a fázisátmenetekre jellemző térfogatváltozásokat, melyek inflexiós pontot képeznek a hőmérsékletváltozások során.

A fenti kísérletek és elemzések alapján egyértelmű, hogy a megfelelő hűtési sebesség és végrehajtási hőmérséklet választása kulcsfontosságú tényezők a fémötvözetek mechanikai tulajdonságainak és mikroszerkezeti jellemzőinek optimalizálásában. A gyártási folyamatok során minden egyes acél típus esetében a hűtési sebesség és az optimális hűtési végpont meghatározása lehetővé teszi a kívánt szilárdság, szívósság és szemcseszerkezet kialakítását, amely a gyártott termékek végső minőségét és teljesítményét befolyásolja.