Επίδραση κραματικών προσθηκών Χαλκού στην παραγωγική διαδικασία Χαλύβδινων προϊόντων

Abstract

Η ανάτηξη του παλαιοσιδήρου και κυρίως του προερχόμενου από την αυτοκινητοβιομηχανία, αποτελεί πρόκληση για τους χαλυβοπαραγωγούς εξαιτίας της υψηλής περιεκτικότητάς του σε χαλκό. Ο χαλκός, όπως και άλλες υπολειμματικές ακαθαρσίες, συσσωρεύεται στον χάλυβα, δημιουργώντας προβλήματα κατά τη διαμόρφωσή του σε υψηλές θερμοκρασίες. Πιο συγκεκριμένα, ο χαλκός τείνει να συγκεντρώνεται στη διεπιφάνεια μετάλλου-οξειδίου, λόγω της επιλεκτικής οξείδωσης του σιδήρου, και κατά τη διαμόρφωση του μετάλλου σε υψηλές θερμοκρασίες προκαλεί ψαθυροποίηση της επιφάνειας του υλικού, καθώς όντας υγρός διαβρέχει τα όρια των κόκκων, τα οποία χάνουν τη συνοχή τους (Liquid Metal Embrittlement). Το φαινόμενο είναι γνωστό ως θερμή ρηγμάτωση. Η εξέταση δειγμάτων προϊόντων χάλυβα με 0,1% w.t. C και 0,25-0,30% w.t. Cu, που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, με χρήση οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, κατέδειξε την κατακρήμνιση μεταλλικού χαλκού στα όρια των κόκκων του φερρίτη, εντός του οξειδίου (scale) και στη διεπιφάνεια μετάλλου - οξειδίου. Ο προσδιορισμός των φαινομένων που συμβαίνουν κατά τα διάφορα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας και στα οποία οφείλεται η διάχυση και κατακρήμνιση του χαλκού είναι ιδιαίτερα σημαντικός. Έχει αποδειχθεί ότι η απανθράκωση και η οξείδωση του χάλυβα, φαινόμενα που συμβαίνουν παράλληλα, κατά την αναθέρμανση αυτού εντός κλιβάνου, δημιουργούν τις κατάλληλες προϋποθέσεις για την κατακρήμνιση του χαλκού. Μέσω της οξείδωσης επιτυγχάνεται μείωση του όγκου του ωστενίτη και αύξηση του ποσοστού του Cu (ίση ποσότητα σε μικρότερο όγκο), ενώ ταυτόχρονα λόγω της απανθράκωσης σχηματίζεται ένα στρώμα φερρίτη κοντά στην επιφάνεια του χάλυβα. Αποτέλεσμα είναι η κατακρήμνιση χαλκού στα όρια των κόκκων, λόγω της υπέρβασης του μέγιστου ορίου διαλυτότητάς του στον φερρίτη (~3% w.t.). Ο έλεγχος των συνθηκών που επικρατούν εντός του κλιβάνου αναθέρμανσης (θερμοκρασία, χρόνος έκθεσης και ατμόσφαιρα), όπως επίσης και η διαμόρφωση της επιθυμητής χημικής σύστασης του χάλυβα, μπορούν τελικά, να περιορίσουν την κατακρήμνιση του χαλκού.

Re-melting of automobile scrap constitutes a challenge for steel producers due to its high copper content. Copper, like other residual elements, accumulates in steel, causing problems during steel’s hot deformation. Specifically, copper enriches at the metal - scale interface due to the selective oxidation of iron, and during deformation at high temperatures, causes embrittlement (LME – Liquid Metal Embrittlement) of the material’s surface, by wetting the grain boundaries. This phenomenon is known as surface hot shortness. The LOM and SEM examination of specimens with 0,1% w.t. C and 0,25-0,30% w.t. Cu highlighted the precipitation of metallic copper along ferrite grain boundaries, inside the scale and at the metal - scale interface. Determination of the phenomena occurring during the various stages of the production process and the resulting diffusion and precipitation of copper is of particular importance. It has been shown that decarburization and oxidation of steel, which occur simultaneously in the reheating furnace, favor the precipitation of copper. Through oxidation the volume of austenite is reduced and the percentage of Cu is increased (an equal amount in a smaller volume), while at the same time due to decarburization a ferrite layer is formed near the surface of the steel. As a result copper precipitates at the grain boundaries, because it exceeds the maximum solubility in ferrite (~3% w.t.). Control of conditions within the reheating furnace (temperature, exposure time and atmosphere), as well as the adjustment of the desired chemical composition of steel, may ultimately limit the precipitation of copper.