بخشی از مقاله
بررسی اثر شرایط بهینه نورد داغ بر ریز ساختار و بافت فولاد هسته ترانس
کلمات کلیدي: فولاد الکتریکی ـ فولاد سیلیکونی ـ هسته ترانس ـ نورد داغ ـ بافت گاس ـ سولفید منگنز
مقدمه
در فولادهاي سیلیکونی شدت تکسچرگاس نهایی داراي اهمیت فراوانی است. دانه هـاي بـا جهـت گیـري گـاس نخستین بار در مرحله نورد داغ و در زیر سطح تشکیل میگردند. رسوبهـاي ممانعـت کننـده کـه عمـدتاً MnS میباشند نیز در مرحله نورد داغ تشکیل میشوند. این ممانعت کنندهها در واقع از رشد تـصادفی همـه دانـههـا در مرحله آنیل مجدد نهایی جلوگیري نموده موجب رشد مـرجح دانـههـاي گـاس و شـکل گیـري تکـسچر مناسـب میگردند. بنابراین با توجه به تاثیر زیاد نورد داغ بر تکسچرگاس محصول نهایی این مرحله از سـاخت ورقـههـاي فولاد سیلیکونی از اهمیت فراوانی برخوردار است
تبلور مجدد دینامیکی معمولاً در فولادهاي سیلیکونی بصورت کامل صورت نمیگیرد[2] و تبلور مجدد دینـامیکی منجر به تبلور کامل دانهها نمیگردند و در نتیجه یک غیر یکنواختی نامطلوب تکسچر حاصل میگردد. پس باید بـا نورد داغ در دماهاي بالا، اجازه تبلور دانه ها به صورت استاتیکی داده شود.[3]
لازم به ذکر است که بعد از رسوب سازي، قطر رسوبها شروع به افزایش میکند و قابلیت قفل کردن رسـوبهـا کم میشود و این در مرحله تبلور مجدد ثانویه مشکل زا خواهد بود. از طرفی فولادهاي سیلیکونی با ساختار bbc داراي انرژي نقص چیده شدن (SFE)1 بالایی هستند و تمایل به بازیابی در دماهاي بالا دارند و دیـواره مرزهـاي فرعی ناشی از بازیابی محلهاي جوانه زنی را براي ممانعت کنندهها تامین میکند. این امر منجر به رسـوب سـازي ناهمگن و نامطلوب میگردد. به عبارت دیگر اگر دانهها تبلور مجدد یابند از نابجایی تهی شده و مرز فرعی تشکیل نخواهد شد و رسوب سازي به تاخیر میافتد. بنابراین بهتر است که دانههاي درشت در دماهاي بـالا کـاملاً متبلـور شوند و سپس توسط نورد در دماهاي پایینتر رسوب سازي بصورت کاملاً ریز و پخـش شـده صـورت گیـرد و از رسوبهاي ناهمگن ممانعت گردد. با توجه به این بحث و مشخص شدن اهمیت تبلور مجدد در دماهاي بالا، لازم است تا دانهها بصورت استاتیکی متبلور شوند.[4]
پژوهشهاي متعدد موید این موضوع است که هر چه دماي انتهایی نورد کمتر باشد، رسـوبهـاي ریزتـري ایجـاد میشود و این یکی از اهداف نورد داغ فولادهاي سیلیکونی است. علت این مساله آن است که رسوب سازي متـاثر از میزان کرنش حین نورد2 است. معمولاً دماي نورد داغ برحـسب رسـوب سـازي MnS بـه سـه ناحیـه تقـسیم میشود.
ناحیه اول در دماي بالاي1050 C است که در آن معمولاً رسوب سازي صورت نمیگیرد. ناحیه دوم محدودهاي بین 870 تا1050 C است که در آن رسوبها معمولاً بصورت ناهمگن و درشت شکل میگیرنـد. محـدوده سـوم نیز دماهاي کمتر از870 C است که در آن رسوبهـا بـه صـورت همگـن و ریـز پخـش مـیشـوند. ناحیـه دوم محدودهاي است که در آن بازیابی صورت گرفته و منجر به رسوب سازي درشت و ناهمگن میگردد. بنابراین باید از نورد در ناحیه دماهاي متوسط پرهیز کرد و بهتر است که ابتدا نمونه را در دماهاي بالا نورد داغ کنیم و سپس در دماهاي پایین، مراحل آخر نورد را انجام دهیم تا رسوبهاي ریزي بدست آید .[3]
رسوب سازي در فولادهاي سیلیکونی تابعی از تغییر شکل است و براي رسوب سازي مناسب، نورد داغ با کـاهش مقطعهاي شدید، حداقل 30 درصد، توصیه شده است .[5] در ضمن افزایش میزان کاهش مقطع موجـب افـزایش نسبت دانههاي تبلور مجدد یافته حین نورد داغ میگردد. نمونههایی نیز که داراي دانههاي اولیه درشتري هـستند و در دماي بالا حرارت دهی شدهاند، براي تبلور مجدد به مقادیر بیش از 85 درصد موجب ایجـاد جهـت کریـستالی {110} <001> به درصد پایدار در زیر سطح نمونه نورد داغ شده میشود.[7]
روش تحقیق به منظور بررسی تاثیر دماي نورد و توزیع و میزان کرنش بر ریز ساختار و تکسچر نورد داغ فولادهاي سـیلیکونی، نمونههایی با شرایط متفاوت نورد داغ شدند. متغیرهاي آزمایش عبارت بودند از: دماي شروع نورد، توزیـع کـاهش مقطع و دماي پایانی نورد. نمونهها پس از نورد در هوا سرد شده و سپس مورد بررسی ریـز سـاختاري و تکـسچر توسط روش حفره اچ شیمیایی3 قرار گرفتند. فولاد مورد استفاده توسط کوره القایی و شمش ریزي در قالب فلزي تهیه گردید. ترکیـب شـیمیایی ایـن فـولاد در جدول (1) آورده شده است.
از شمش ریخته شده نمونههایی با ابعاد 60 mm * 35 mm * 17 mm توسط ماشـینکاري تهیـه گردیـد. بـراي آنکه گازگیري مناسبی حین نورد صورت پذیرد یک سر نمونه توسط ماشینکاري پخ 30 درجه زده شد. براي قـرار گرفتن ترموکوپل در نمونه و ثبت درجه حرارت در مراحل مختلف نورد سـوراخی بـه قطـر 10 mm و بـه عمـق 10 mm در انتهاي نمونه ایجاد گردید.
به منظور حل سازي کامل رسوبها و همچنین آماده سازي نمونهها جهت نورد، نمونـههـا در دمـاي1350 C در کوره حرارت دهی شدند. زمان رسیدن دماي نمونهها به 1350 C حدود 10 دقیقه و زمان نگهداري در ایـن دمـا 30 دقیقه بوده است. پس از خروج نمونهها از کوره طی 4 پـاس نـورد، ضـخامت از 17 mm بـه حـدود 3 mm کاهش داده شد. به منظور بررسی اثر دماي شروع نـورد، دو دمـاي1300 C و1200 C انتخـاب گردیـد. توزیـع کاهش مقطعها طوري انتخاب گردیده که میزان کاهش مقطع بیشتري در دو پاس نهایی نـسبت بـه دو پـاس اولیـه صورت گیرد. علت انتخاب چنین روشی براي نورد نتایج تحقیقاتی قبلی میباشد که نشان میدهد هـر چـه میـزان کاهش مقطعهاي نهایی شدیدتر گردد سـاختاري ریـز دانـه تـر و بـا توزیـع رسـوب و تکـسچر مناسـبتر حاصـل میگردد .[8] در جدول (2) شرایط نورد داغ نمونههاي مختلف آورده شده است.
سه مقطع از هرنمونه، یکی موازي جهت نورد ( مقطع طولی ) و دو مقطع دیگر موازي صفحه نـورد بـه ترتیـب در عمق 0/1 ضخامت و در لایه میان نمونه تهیه گردید. براي تهیه مقطع موازي صفحه نورد، نمونهها ابتـدا سـنگ زده شدند و سپس سنباده خورده تا مقطع مورد نظر به دست آید. نمونهها پس از پولیش توسط محلـول نایتـال % 3 بـه مدت 1 دقیقه اچ شدند و در ادامه توسط میکروسکوپ نوري مورد مطالعه قرار گرفتند.
براي بررسی توزیع رسوبها مقطع موازي صفحه نورد مورد مطالعه قرار گرفت. این مقاطع پـولیش شـده و بـدون اچ شدن، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفتند.
تکسچر نمونهها در مقاطع موارزي صفحه نورد توسط روش حفره اچ شیمیایی مورد مطالعه قرار گرفـت. در روش حفره اچ شیمیایی براي فولاد سیلیکونی از سه محلول مختلف استفاده گردید که ترکیب محلول وزمـان اچ در هـر محلول مشابه با کارهاي قبل میباشد .[9] پس از اچ کردن نمونهها، بررسیهایی با میکروسکوپ بر روي نمونههـا صورت پذیرفت . نتایج و بحث ریز ساختار و اندازه دانه بررسی ریز ساختاري نمونهها نشان میدهد که ساختار فریتی بوده و دانههاي نزدیک سطح تبلور مجدد یافتهاند اما دانهها در ناحیه مرکزي نمونه کشیده شده4 میباشند. علت وجود دو نـوع دانـه در سـاختار، شـرایط تغییـر شـکل متفاوت در نقاط مختلف نمونه می باشد. در مناطق نزدیک سطح با توجه به آنکه تغییر شکل همراه با کـرنشهـاي برشی بزرگ است انرژي ذخیره شده در این نواحی بسیار بیشتر از ناحیه مرکـزي نمونـه اسـت ودر نتیجـه امکـان جوانه زنی در لایههاي سطحی بسیار بیشتر از ناحیه مرکزي نمونه است. در لایههاي مرکزي مقدار کرنش و انـرژي ذخیره شده به مقدار حدي نرسیده و ساختار به همان صورت کشیده شده باقی میماند .[11] درشـکل (1) مقطـع طولی نمونهHMRl و دانههاي متفاوت درسطح و مرکز نمونه مشاهده میگردد. نتایج بررسیها نشان میدهـد کـه هرچه دماي پایانی نورد کاهش یابد منطقه تبلور مجدد یافته کوچکتر شده و در نمونههـاي نـورد شـده در750 C تقریبا منطقه تبلور مجدد یافته بسیار جزئی است ولی دانهها با کاهش دماي پایانی نورد بـسیار ریزتـر شـدهانـد. بـا کاهش دماي پایانی نورد به دلیل آنکه نابجاییهاي ایجاد شده کمتر میتوانند با مکانیزم بازیابی از بین برود، بنابراین انرژي ذخیره شده افزایش یافته و امکان جوانه زنی بیشتري را فراهم مینماید و در نتیجه تبلور مجدد تنها منحـصر به لایههاي بسیار نزدیک به سطح که کرنش شدیدي دارند، می گردد. شکل (2) مقطع طولی نمونههـاي HHRl و HLRl با هم مقایسه شدهاند . نمونه HLRl که دماي پایانی پایینتري دارد داراي دانههـاي ریزتـري اسـت ولـی دانههاي تبلور مجدد یافته این نمونه به لایه هاي بسیار نزدیک سطح محدود شده است.
بررسی ها نشان می دهد هرچه پاس نهایی نورد شدیدتر باشد و کاهش مقطع بیشتري در پاس نهایی اعمـال گـردد ساختار منطقه تبلور مجدد ریزتر می شود.[5,8] همچنین با افزایش کاهش مقطع در پاس نهایی عمق منطقه تبلـور مجدد نیز افزایش مییابد. افزایش کاهش مقطع موجب افزایش انرژي ذخیره شده میگردد و نیروي محرکـه بـراي تبلور مجدد افزایش مییابد و در نتیجه هم محل هاي جوانه زنی و هم حجم منطقه تبلور افزایش مییابد. در شکل (3) مقطع موازي صفحه نورد در عمق 0/1 ضخامت نمونههاي HMRl و HMR2 با هم مقایسه شدهاند و ریزتر بودن دانه در نمونه HMR1 که کاهش مقطع شدیدتري در پاس نهایی دارد مشهود است.
بررسیهاي انجام شده حاکی از آن است که دماي شروع نورد تاثیر چندانی بر انـدازه دانـه و منطقـه تبلـور مجـدد ندارد و ساختار نمونههایی که دو پاس اولیه نورد آنها در 1300 و1200 C بوده با نمونههایی کـه دو پـاس اولیـه نورد آنها 1200 و 1100C بوده است تفاوت چندانی ندارد. احتمالاً علت این پدیده آن اسـت کـه میـزان کـاهش مقطع در پاسهاي سوم و چهارم بسیار شدید بوده و عملاً تاثیر نورد در پاسهاي اول و دوم را کاملاً در ساختار از بین برده است. در شکل (4) مقطع موازي صفحه در عمق 0/1 ضخامت نمونـههـاي HMR1 و LMR1 بـا هـم مقایسه شدهاند. ساختار این دو نمونه با دماي شروع متفاوت در نورد تفاوت چندانی با یکدیگر ندارد.
توزیع رسوب بررسی رسوبها نشان داد که توزیع رسوبها و اندازه آنها بسیار ریز و مناسـب مـیباشـد و در مقایـسه بـا نتـایج تحقیقات قبلی انجام شده[8,9] توزیع بسیار بهتري از رسوبهـا مـشاهده مـیگـردد. علـت ایـن توزیـع مناسـب رسوبها انتخاب توزیع مناسب کاهش مقطع و انتخاب دماي مناسب براي نورد میباشد. با وجـود مناسـب بـودن شرایط رسوب گذاري در نمونههاي مختلف، تفاوتهایی بین نمونههاي مختلف مشاهده میگردد که در ادامه علت این تغییرات توضیح داده میشود.
بررسی رسوبها نشان میدهد که اندازه بیشتر رسوبها، زیر 1 μm میباشد و براي مشاهده رسوبها عمـدتاً بـه بزرگنماییهاي بالا نیاز میباشد. همچنین رسوبهایی که در سطح تشکیل شدهاند، به دلیـل آنکـه تغییـر شـکل در سطح نمونه شدیدتر از مرکز میباشد، بسیار کشیده شده هستند، در حالی که رسوبهاي مرکز نمونه تقریباً کـروي شکل بوده و کشیدگی بسیار کمتري دارند. در شکل (5) رسوبهاي کاملاً کشیده شـده در سـطح نمونـه HMR1 مشاهده میگردد. در ناحیه شکل (6) نیز رسوبهاي تقریباً کروي شکل MnS در ناحیه مرکـزي نمونـه HMR1 مشاهده میشود.
با کاهش دماي پایانی نورد و افزایش میزان کاهش مقطع در پاسهاي نهایی نورد توزیع یکنواخت تر و ریزتـري از رسوبهاي MnS بوجود میآید. علت این امر آن است که رسوبهاي MnS تحت تاثیر کرنش شکل گرفتهاند و هر چه میزان کاهش مقطع بیشتر و یا دما کمتر باشد انرژي ذخیره شده و به تبع آن محلهاي جوانـه زنـی رسـوب افزایش یافته و در نتیجه رسوبهاي ریزتر و بیشتري در ساختار ایجاد میگردد. در شکل (7) رسـوبهـاي بـسیار ریز در ناحیه مرکزي نمونه HLR1، که دماي نهـایی پـایین و میـزان کـاهش مقطـع شـدید نهـایی دارد، مـشاهده میگردد. نکته جالب توجه دیگر در بررسی رسوبها آن است که انجام نورد در محدوده دماهاي متوسط یعنی بین 1050 تا 950C منجر به تشکیل رسوبهاي نسبتاً درشتتري شده است. این محدوده دمایی، محدودهأي است کـه در آن بازیابی غالب بوده و رسوبهاي MnS بر روي مرزهاي فرعی تـشکیل مـیشـوند و بـه دلیـل آنکـه دمـاي تشکیل MnS در اینجا بالا میباشد امکان رشد رسوبها فراهم بوده و در نتیجه رسوبهـاي درشـتی در سـاختار مشاهده میگردد. در شکل (8) رسوب نسبتاً درشـت MnS در مرکـز نمونـه HUR1 کـه دو پـاس نهـایی آن در 1050 و 950C بوده است، مشاهده میگردد.
توزیع جهات کریستالی در این پژوهش از روش حفرههاي اچ شیمیایی براي بررسی جهات کریـستالی نمونـههـا اسـتفاده گردیـد. در ایـن روش، محلول اچ حفرههایی با اشکال هندسی منظم روي سطح قطعه ایجاد میکند. شکل، ابعاد و زوایـاي حاصـل از اچ ارتباط مستقیمی با اندیسهاي میلر صفحات بلوري دارند. استفاده از این روش در فولادهاي سیلیکونی نتایج بسیار جالبی را بدست می دهد.
معمولاً حفـرههـاي ایجـاد شـده در فولادهـاي سـیلیکونی نـشاندهنده صـفحاتی ماننـد{100}، {110} و {111} میباشند. در فولادهاي سیلیکونی نرخ انحلال صفحات {100} از سـایر صـفحات بیـشتر اسـت [12] و سـریعتر خورده شدن این صفحات موجب ایجاد حفرههایی بر روي سطح، متناسب با جهت کریستالی زمینه میگردند. الف) حفرههاي مربعی، مشخص کننده جهات کریستالی {hoo} <ovw>
ب) حفرههاي مستطیلی، معروف جهات کریستالی {hko} <uvw> ج) حفرههاي مثلثی، نشاندهنده جهات کریستالی {hkl} <uvw>مهمترین مثالهاي مربـوط بـه ایـن جهـات کریـستالی عبارتنـد از{100} <011 > و {110} <001> و <112>
.[12] {111}
تصاویر میکروسکوپی سطح نمونهها نشان میدهد که حفرههاي مستطیلی فراوانی در ایـن منطقـه وجـود دارد و در نتیجه تکسچرگاس تقریباً قوي در این منطقه مشاهده میگردد. به علت تغییـر شـکلهـاي برشـی شـدید در سـطح نمونه، تکسچرگاس در سطح تشکیل شود. اما در ناحیه مرکزي نمونه تغییـر شـکل بـصورت برشـی نمـیباشـد و تکسچرگاس در مرکز نمونه وجود نخواهد داشت. بررسی نمونهها نیز نشان میدهد که در مرکز نمونههاي مختلف هیچ حفره مستطیل شکلی مشاهده نمیگردد و حفرهها بیشتر به شکل مربعی و مثلثی میباشند. مشاهده میگردد که با کاهش دماي نورد نهایی از 850 به 800 C تکسچرگاس در لایههاي سطحی تقویت میشود ولی با کاهش دمـا از 800 به 750C باعث تضعیف تکسچرگاس میگردد. علت این امر آن است که با دماي پایانی نورد میزان تغییـر شکل برشی در سطح افزایش یافته و بنابراین نمونههاي نورد شده در 800C تکسچرگاس قـوي تـري نـسبت بـه
نمونههاي نورد شده در 850C دارند. اما با کاهش دما از 800 به 750C منطقه تغییر شکل برشی شـدید، بـسیار نزدیک به سطح نمونه میگردد و در عمق 0/1 ضخامت از سطح نمونه شرایط تغییر شکل تقریباً شبیه شرایط تغییـر شکل در مرکز نمونه میباشد. در قسمت بررسی ساختار نمونهها نیز مشاهده شد که در نمونههـاي نـورد شـده در 750C منطقه تبلور مجدد بسیار کوچک و نزدیک سطح نمونه میباشند. بنابراین در ایـن نمونـههـا تکـسچرگاس فقط میتواند در لایههاي بسیار نزدیک سطح تشکیل گردد و عمق 0/1 ضخامت تکسچرگاس به وجـود نمـیآیـد.
بنابراین نورد در دماي 750C چون تکسچرگاس تشکیل شده به قدري نزدیک به سطح میباشـد کـه نمـیتوانـد تکسچر کلی نمونهها را تحت تاثیر قرار دهد، نامطلوب میباشد.
در شکل (9) حفرههاي تقریباً مربعی شکل در عمق 0/1 ضخامت نمونه HLR1 که دماي نورد نهایی آنها 750C است، مشاهده میگردد. در شکل (10) حفرههاي مستطیلی در سطح نمونه HMR1 مشاهده میشود
مشاهدات نشان میدهد که با افزایش میزان کاهش مقطع تکـسچر گـاس در لایـههـاي سـطحی نمونـههـا تقویـت میگردد در اینجا نیز علت همان افزایش تغییر شکلهاي برشی در سطح نمونه میباشد.
اگر چه بطور قطع نمیتوان در مورد تکسچر در لایه میانی نورد داغ اظهار نظر نمود ولـی اگـر دانـههـاي تکـسچر متفاوت به صورت لایهاي در کنار هم قرار گیرند دانههاي پایدار{100} <110> امکان رشد غیر طبیعی نخواهنـد داشت و نهایتاً حین آنیل نهایی توسط دانههاي با تکسچرگاس اشغال شده و دانههاي گاس میتوانند کل ضـخامت نمونه را در بر گیرند.[13] بررسی نمونههاي مختلف نشان میدهد که تکسچر ناحیه مرکزي نمونهها تقریباً مـشابه بوده و تفاوت چندانی میان نمونههاي مختلف مشاهده نمیگردد و در تمـامی نمونـههـا در مرکـز نمونـه حفـرههـا بصورت مربعی و مثلثی میباشد و دانههاي کنار همدیگر معمولاً داراي حفرههایی با شکلهاي متفاوت هـستند کـه مطلوب میباشد.
شکل (11) حفرههاي حاصل از اچ در نمونه HMR1 و شکل (12) حفرههاي حاصل از اچ در نمونـه HLR1 را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود، حفرههاي اچ در ناحیه مرکزي ایـن دو نمونـه تقریبـاً مـشابه یکـدیگر میباشد.
نتیجه گیري نتایج این پژوهش نشان میدهد که با انجام نورد چهار مرحلهاي به شکلی که دو مرحله از نورد در دماهـاي بـالا (بالاتر از (1050C و دو مرحله از نورد در دماهاي پایین (پایینتر از (950C صورت پذیر ساختار و بافت مناسـبی ایجاد میگردد و تقریبا در تمامی نمونههایی که با این شرایط نورد شدهاند توزیع مناسـبی از رسـوبها، ریـز شـدن دانههاي تبلور مجدد یافته و توزیع مناسب از جهات کریستالی مشاهده میشود. با این وجـود متغیـرهـاي فرآینـد تائیراتی را بر توزیع رسوب، اندازه دانه و تکسچر نمونهها میگذارند. نتایج نشان مـیدهـد کـه بـا کـاهش دمـاي انتهایی نورد رسوبهاي MnS ریزتري در ساختار ایجاد میگردند که علت آن بیشتر شدن انـرژي ذخیـره شـده در ماده و فراهم شدن محلهاي بیشتري براي جوانه زنی رسوب میباشـد. کـاهش دامـاي نـورد موجـب ریـز شـدن دانههاي تبلور مجدد میگردد، اما منطقه تبلور مجدد کوچکتر میشود که علـت آن افـزایش نیـروي محرکـه بـراي جوانه زنی تبلور مجدد و کاهش انرژي اکتیواسیون حرارتی میباشد. کاهش دماي نورد تا 800 C باعث تقویت تکسچرگاس به علت افزایش کرنشهاي رشی در سطح میشود. امـا بـا کـاهش دمـاي نـورد از 800 C بـه C
750 تکسچر گاس تضعیف میگردد. زیرا با کاهش دماي نورد، شرایط تغییر شکل برشی تنها به مناطق نزدیک بـه سطح محدود شده و شرایط نورد در لایههاي پایینتر مانند عمق 0/1 ضخامت ، مشابه شرایط نورد در مرکـز نمونـه شده و تکسچر گاس در این لایهها تشکیل نشده ویا کمتر ایجاد می شود. افـزایش میـزان کـاهش مقطـع در پـاس نهایی نورد باعث رسوبها و تقویت تکسچر گاس میشود که علت آن افزایش کرنشهاي برشی در نمونه میباشـد.
