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Influence of bainite structure on mechanical characteristics of wire of steel 80 after patenting is investigated. The quantity and structural state of bainite, providing high complex of mechanical characteristics of high-carbon wire, is determined.
A. JU. BORISENKD, V. A. LUZENKO, O. V. LUZENKO, Eisenhuetteninstitut namens, Z. I. Nekrasov, bei NATIONALAKADEMIE DER WISSENSCHAFTEN der Ukraine, T. P. KURENKOVA, E. S. SEREGINA, A. V. DEMIDOV, Republikanisches einheitliches Unternehmen « Weissrussisches Hue ttenw erk»
UDK 669.112.227.33:669.14.018.295
GEFUEGE UND EIGENSCHAFTEN VON PATENTIERTEN HOCHGEKOHLTEN DRAHT
Hochgekohlter Draht zur Erzeugung von Stahlcord bzw. Bewehrung von Hochdruckschlaeuchen Du 0,15-0,50 mm wird aus Runddraht Du 5,5 mm mittels Ziehen mit Zwischenpatentierung erzeugt und kennzeichnet sich durch hohe Festigkeits- und Duktilitaets eigenschaften. Die o. g. Eigenschaften werden durch optimale Waermebehandlung, Bildung im Zuge der Patentierung des hyperfeinen Perlitgefueges -Sorbit, Troostit erzielt. Matensit sowie erhebliche Mengen von ueberschuessigen Ferrit an Koererngrenzen sind unzulaessig [1-5]. Von Bainit-Gefuege bei patentierten Draht erwaehnt man entweder uerberhaupt nicht, oder spricht man als ueber eine unerwuenschte Erscheinung, die dessen mechanischen Eigenschaften verringert. Die Praxis zeigt, mit der Erzielung der erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Drahtes aus hochgekohlten Stahl nach Patentierung wird dessen Fertigungsgerechtheit bei Weiterverarbeitung (Fehlen von Bruechen und Verfestigung) jedoch nicht garantiert. Feinstrukturuntersuchungen zeigen, daß die bestehenden Patentierungsbetrienbsweisen zur Bildung nicht nur von hyperfeinen Perlitgefuegen sonden auch zur Bildung des Bainitgefueges fueh-ren. Abhaengig von Betriebsweisen der thermischen Behandlung (Patentierung) koennen nicht nur verschiedene Bainitmengen sondern auch dessen verschiedene Type gebildet werden, welche verschiedenartig auf mechanische Eigenschaften des patentierten Drahtes bzw. dessen Weiterverarbeitungsgerechtheit einwirken.
Zum Ziel der gegenstaendlichen Untersuchungen wurde die Feststellung der Gesetzmaessigkei des Einflusses von Bainitmenge, -verteilung und -aufbau auf mechanische Eigenschaften des hochkeohlten patentierten Drahtes gesetzt.
Untersuchungen wurden mit Drahtmustern Du 1,8 mm aus Stahlqualitaet 80K, hergestellt bei RUE «BMZ», mit nachfolgender Zusammensetzung: 0,80% C, 0,52% Mn, 0,18% Si, 0,03% Cr, 0,02% Ni, 0,04% Cu, 0,001% Al, 0,006% P, 0,009% S h 0,005% N2 durchgefuehrt.
250 mm lange Muster wurden im Labor nach folgender Betriebsweise patentiert: Erwaermung bis auf 930°C, Haltezeit 5 Minuten nach Ofensatz, Abkueh-lung in Bleischmelze mit Temperatur 610, 600, 590, 580, 570, 560, 550, 540, 530, 500, 450 und 400°C binnen 3 Minuten.
Fuer jede der Patentierungsbetriebsweisen wurden mechanische Eigenschaften beim Zugversuch von je 3 Mustern bestimmt.
Feinstruktur jeden Musters wurde beim metallographischen Lichtmikroskop und Elektronrastermikroskop untersucht. Bainit-Anteil wurde anhand elektronmikroskopischen Feinstruktur-Darstellungen (x9600) mittels Flaechenzaehlung mit Computerprogramm zur Flaechenzaehlung bestimmt.
Bei Erwaermung der Muster im Zuge der Patentierung kommt es zur Bildung von Oberflaechenzun-der, womit sich deren Ausgangsdurchmesser aenderte, so wurden mechanische Eigenschaften nicht unter Zugrundelegung der Spannungswerte, welche bei Bestimmung der vorgegebenen Kennwerte Musterquerschnitt beruecksichtigen, sondern nur der dabei entstehenden Kraefte, analysiert.
Nachfolgende mechanische Kennwerte wurden analysiert:
Rm - Kraft der max. Belastung, N;
R02 - die die Dehngrenze bistimmende Kraft, N;
R0 2/Rm - Verhaeltnis der die Dehngrenze bistimmenden Kraft zur max. Belastung, %;
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A - Dehnung nach Bruch, %;
emod. - Elastizitaetsmodul, N/mm2;
Wmax - plastische Verformung bei max. Kraft, Hmm.
Unterrsuchungsergebnisse. Abhaengigkeit der Aenderung der mittleren Werte der untersuchenden mechanischen Eigenschaften bzw. der Mikrostruktur von der Austenitabkuehl temperatur in Bleischmelze ist aus Abb. 1, 2 ersichtlich.
Aus der Abb. 1 sieht man, dass sich die mechanischen Eigenschaften bei allen Darstellungen mit verschiedener Intensitaet der Schmelzetemperatur von 610 °C bis 570-560 °C erhoehen, dann kommt deren Verringerung; bei Schmelztemperaturen ~500-450 °C beginnen sie sich wieder zu erhoehen. Behandeln wir den gegenseitigen Zusammenhang zwischen erhaltenen mechanischen Eigenschaften des patentierten Drahtes und dessen Mikrostruktur.
Untersuchungen zeigten, dass Umwandlung von Austenit im untersuchten Temperaturbereich zur Bildung nachfolgender Strukturbestandteile fuehrt:
Sorbit, Troostit - Hauptgefuege, welches bei Schmelzetemperatur von 610-540 °C entsteht;
Bainit, welcher sich vermutlich an Grenzen der ehemaligen Austenitkoerner bei Schmelzetemperaturen 610-540 °C bildet, und welcher das Hauptgefuege bei Abkuehlung in Schmelze mit Temperatur 540400 °C ist;
Feine Ferritaederungen in geringfuegiger Menge (0,5-1%) vermutlich an den Grenzen der ehemaligen Austenitkorne.
Oberer Bainit, welcher sich bei Schmelztemperaturen 610-600 °C bildet, stellt Grenzbildungen geringer Laenge unbestimmter (allotriamorfer) Form mit kristallographisch gestreuter Lage von groben Zemen-titteilchen in Ferrit dar (Abb. 2, a, 6). Es kommen Be-
Abb. 1. Abhaengigkeit der mechanischen Eigenschaften des patentierten Drahtes Du 1,8 mm, aus Stahl 80K von der Bleischmelzetemperatur
reiche von oberen Bainit in Form von gerichteten (idiamorphen) nadelfoermigen Ferrit-Zementitbildun-gen vor, welche ebenfalls keine große Laenge von Grenzen in die Tiefe von Koerner hinein haben (Abb. 2, e, a). Bainit-Gesamtanteil bei Mikrostruktur dieser Muster betraegt 3-5%.
Relativ niedrige Werte von Rm, Emod. h und relativ hoher Wert R0 2,
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Schmelzetemperatur von 610-600 °C abgekuehlten Mustern sind durch geringfuegige Partikelfeinheit der Hauptstruktur - Soorbit bedingt. Bainitextraktionen in diesem Temperaturbereich nehmen eine gerigfuegige Flaeche und haben keinen wesentlichen Einfluß auf genannte Kennziffern.
Mit Senkung der Schmelzetemperatur bis auf C 590-570 °C nimmt Anzahl von nadelfoermigen Bai-
Abb. 2. Mikrostruktur der Pruefstuecke aus Stahl 80K nach Abkuehlung in Bleischmelze mit Temperatur: a, 6 - 610-600 °C; e, г - 590-570 °C; d, e - 560-540 °C; w, 3 - 530-400 °C; a, e, d, w - Darstellung im dunklen Feld; 6, a, e, 3 - Darstellung am Elektro-
rastermikroskop (Drahtquerschnitte nach Beizen)
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nitbildungen sowie deren Laenge von Grenzen in die Tiefe der Koerner hinein zu, es steigt nicht nur Dis-persitaet des Perlitbestandteiles, sondern auch die der Bainit-Ferritzementit-Mischung. Flaeche von Bainit-bereichen betraegt 6-8%. Kennwerte der mechanischen Eigenschaften Rm, R02, Wmax, A, Emod nehmen zu, Wert R0 2/ Rm sinkt, da Werte Rm und R02 mit verschiedener Intensitaet zunehmen In diesem Fall wird Steigerung von Festigkeits- und Duktilitaetseigen-schaften durch Erhoehung der Dispersitaet des Haupt-gefueges - Perlit bedingt, Bainitbestandteil nimmt nach wie vor kleine Flaeche und hat vermutlich keinen Einfluß auf genannte Eigenschaften.
Abkuehlung von Stahldraht in Bleischmelze mit Temperatur 560-540 °C fuehrt zur weiteren Erhoehung des Disperrsinsgrades der Perlit-und Bainitbe-standteile, Zunahme von Bainitmenge. Bainitbereiche liegen an Grenzen ehemaliger Austenitkoerner, bilden einen immer mehr geschlossenes Netz, weisen eine großere Laenge in die Koernertiefe hinein als auch den Koernergrenzen entlang auf. Bainit-Ferrito-Ze-mentit-Mischung bekommt einen geordneten Plattenaufbau, Abb. 2, d, e. Bainitbereiche-Flaeche erreicht 10-15%, wodurch Mikrostruktur unglechmaessig wird, und diese Faktoren, obwohl das Perlit-Dispersi-onsgrad weiters zunimmt, fuehren zum Absinken der Festigkeits- und Duktilitaetseigenschaften.
Bei Schmelzetemperatur 530 °C und unter ist Bai-nit das Hauptgefuege (Abb. 2, w, 5), dessen Dispersitaet nimmt zu, Bainitplatten werden kurz und erwerben einen ausgepraegten Paketaufbau. Bis Schmelzetemperatur 500-450 °C bauen Festigkeits- und Dukti-litaetseigenschaften ab, danach aendern die Kurven ihren Verlauf in Richtung Zunahme aller mechanischen Eigenschaften. Austenitzerfall bei Abkuehlung in Schmelze mit Temperatur 400 °C fuehrt zur Bildung von Bainitgefuege hoher Dispersitaet bzw. Gleichma-essigkeit. Werte Rm, R0,2/ Rm liegen bei dieser Groes-senordnung bei Schmelzetemperaturen 580-570 °C. Offensichtlich erfolgt die Aenderung des Verlaufes der Kurven der Abhaegigkeit der mechanischen Eigenschaften von Bleischmelzetemperatur; Steigerung von Festigkeits- und Duktilitaetseigenschaften des unter Schmelzetemperatur 500 °C patentierten Drahtes haengt mit Zunahme der Dispersitaet von Bainit-Fer-ro-Zementit-Mischung bzw. Gleichmaessigkeit der Mikrostruktur zusammen.
Beurteilung der Untersuchungsergebnisse. Die Untersuchungsergebnisse bestätigen die bekannte Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des hochgekohlten Stahles von der Temperatur des Austenit-zerfalls [6-8]. In dieser Arbeit, außer der Änderung der mechanischen Eigenschaften von der Temperatur des Austenitzerfalls, die durch die Bleischmelzetem-
peratur bestimmt ist, sind die Änderungen der Morphologie, Menge, Bainitverteilungscharakter beim Senken der Bleischmelzetemperatur, Zusammenhang der mechanischen Eigenschaften mit dem Gefüge bekannt gemacht.
Bei den ungefähr gleichen Festigkeits- und Dukti-litätseigenschaften üben verschiedene Bainit-Morpho-logie, -Menge, und Verteilungsdes patentierten Blocks verschiedenen Einfluss auf die technologischen Eigenschaften des dünnes Drahtes und Cords aus. Relativ niedrige Werte der Festigkeitkennzahlen des Blok-kes nach nach Abkuehlung in Bleischmelze mit Temperatur 610-600 °C zeigen beim Ziehen niedrige Festigkeit des Endproduktes, was für die Gebrauchseigenschaften nicht bevorzugt ist, aber das Brüchig-keitsniveau damit niedriger geworden ist. Wärmebehandlungsziel ist
Erhalten der optimalen Kombination der Festig-keits- und Duktilitätseigenschaften, Mikrostruktur des patentierten Drahtes, um das erforderliche Niveau der Fertigungsgerechtheit beim Ziehen mit dem hohen Summenumpressen und das hohe Niveau der Gebrauchscharakteristiken des Endprodukten zu gewährleisten.
Optimale Temperaturen für Bleischmelze für das Patentieren des hochgekohlten Drahtes aus Stahl 80, laut den durchgeführten Forschungen, ist das Intervall 590-570 °C. In diesem Intervall sind hohe Werte Rm, A, Wmax, und niedrigste Werte R0 2/ Rm erhalten Die Mikrostruktur des patentierten Drahtes ist damit ziemlich homogen (mehr als 90% Sorbit, Troostit), Anteil des oberen Bainits beträgt 6-8%, das sind im wesentlichen Nagel- Ferrit- Zementit- Formationen der kleinen Ausdehnung, die sich von den Grenzen in die Tiefe der Koerner hinein ausbreiten, und die Formationen der unbestimmten Form mit den kristallographisch ungeordneten groben Zementitteilchen im Ferrit (Abb. 2, a-s). Die genannte Kombination der mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur des patentierten Blocks zeugt ueber Möglichkeit des Erreichens gleichzeitig hoher Festigkeitsstufe, Duktilität, Deformationshärtung, des niedrigen Spannungsniveau des Drahtes im Laufe und nach dem Ziehen, der niedrigen Brü-chigkeitsstufe.
Bei der Kühlung in Bleischmelze mit der Temperatur 560-540 °C ist ziemlich hohes Niveau der Fe-stigkeits- und Duktilitätseigenschaften erhalten, aber die Erhöhung des Bainitanteils mehr als 10%, Morphologieänderung und die Änderung des Verteilungscharakters in dem Stahlgefüge führt zur Senkung der Festigkeit und Duktilität des Drahtes bei der Temperatursenkung des Austenitzerfalls. Inhomogenität des Gefüges, hoher Bainianteil, ziemlich grobe Dispersität des Bainit-Ferrit-Zementit- Gefüges, große Bainit-
bereichausdehnung führen zu einer ungleichmäßigen Verformung beim Ziehen, kleinem Verfestigungsgrad, hohem Spannungsniveau des dünnes Drahtes, Eigen-schaftenunstabilität des Fertigproduktes, Brüchigkeit.
Im Folge des Austenitzerfalls bei der Temperatur des Bleibades 530-450 °C sind niedrige Werte der Fertigkeits- und Duktilitätseigenschaften, hohe Werte R0 2/ Rm, inhomogene Perlit-Bainit- Gefüge bekommen, deshalb ist das Patentieren in diesem Temperaturbereich nicht von der praktischen Interesse. Das Interesse erweckt das Patentieren in Bleischmelze bei Temperatur 400 °C, weil hier hohes Wert Rm, niedrige Werte R0,2/ Rm und Emod, homogene hochdisperse Bainitsgefüge sind. Brüchigkeitsabhängigkeitsunter-suchungen beim Stahlcordschlag von Emod des ver-messingten Halbzeuges, die früher be Drahtproben durchgeführt wurden, bei RUE «BMZ» gefertigt [9], geben den Grund anzunehmen, dass je kleiner Emod des Halzbzeuges ist, desto kleiner Drahtbrüchigkeits-niveau bei seinem Schlag zum Cord ist. Deshalb erweckt die Kombination der aufgezählten Charakteristiken, die bei der Kühlung in Bleischmelze mit der Temperatur 400 °C gebildet werden, das Interesse, aber erfordert ausführliche Untersuchungen der Fertigungsbedingungen und der Eigenschaften solcher Barren, Zugprozesses, Schlages, Eigenschaften des dünnes Drahtes und Cordes.
Es soll erwähnt werden, dass die o. g. Untersuchungsergebnisse bei Laborsbedingungen erhalten
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sind. Deshalb können temperatur-zeitliche Untersuchungsweisen nicht mit den Austenitisierungsbetriebs-weisen und dem Austenitzerfall bei Patentierungs-agregaten bei Produktionsbedingungen übereinstimmen, aber der Charakter der Festigkeits- und Duktili-tätseigenschaftenänderungen, die Typen der gebildeten Gefügen, ihre Morphologie, Menge und die Verteilung mit der Temperatursenkung des Austenitzerfalls werden gleich.
Schlussfolgerungen
Analyse der mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur der Cordstahlproben Marke 80 nach isometrischen Austenitzerfall bei Bleischmelzetemperatur 610-400 °C bei Ladorbedingungenzeigte, dass:
• höchstoptimale Kombination der mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur im Bleischmelze mit Temperatur 590-5700C gewaehrleistet wird;
• im ganzen untersuchten Temperaturintervall der Austenitumwandlung zur Bildung von Bainit, bei Temperatursenkung der Bleischmelze zur Erhöhung dessen Menge, Morphologieänderung und Verteilungscharakteränderung kommt;
• Menge, Morphologie, Bainitverteilungscharakter einen großen Einfluss auf mechanische Eigenschaften des patentierten Halbzeuges aus hochgekohlter Stahlmarke 80 bei Bleibschmelzetemperatur unter 5600C haben, falls dessen Anteil in Mikrostruktur 10% übersteigt.
Referenzliteratur
1. S u b o w W. J a. Stahldrahtbpatentieren und -ziehen // Swerdlowsk-Moskau: Metallurgisdat. 1945. S. 116.
2. P o t e m k i n K. D. Wärmebehandlung und Ziehen von hochfesten Draht // M.: Metallurgisdat, 1963.
3. N o w i k o v I. I. Theorie der Wärmebehandlung von Metallen // M. Metallurgie: 1978.
4. B o l s c h a k o v V. I., D o l s h e n k o v I. E., D o l s h e n k o v V. I. Technologie der Wärme- und Kombinationsbehandlung der Stahlproduktion. Dnepropetrovsk: Gaudeamus, 2002.
5. L a k i s c h e v N. L. u. a. Konversationslexikon fuer Metallurgie. Handbuch in 2 Bänden Band 2. M.: Intermet Engineering. 2000.
6. G u d r e m o n E. Sonderstaehle. in 2 Bänden Band 1 // M.: Metallurgisdat. 1959.
7. M a r z i n i v B. F., B a b i t s c h V. K., S u c h o m l i n V. I., N i k i t i n L. M. Einfluss der Austenitumwandlungstemperatur auf Gefüge und Eigenschaften des kohlenstoffarmen Stahles im Buch: Produktion von thermisch behandelten Walzgut // Schwarzmetall-urgieministerrium der UdSSR. M.: Metallurgie, 1986.
8. G a r d i n A. I. Elektronische Stahlmikroskopie. M.: Metallurgisdat, 1954.
9. Staatliche wissenschaftliche Einrichtung «Physikalisch-technisches Institut bei Nationalen Wissenschaftsakademie Weißrusslands». Bericht über die Forschungsarbeit « Bedingungsbestimmung des Schnellzuges von dünnen hochfesten vermessingten Draht». Minsk, 2008.
