Ảnh hưởng của Nb và Ti đến quá trình kết tinh lại khi ủ thép C siêu thấp

Trong bài báo này, thép các bon siêu thấp (ULC) được cán nguội và ủ kết tinh lại ở nhiệt độ 600, 700 và 800 ^oC với thời gian ủ khác nhau để xem xét ảnh hưởng của Nb và Ti đến tổ chức tế vi và độ cứng tế vi…

Effect of Nb and Ti on recrystallization during annealing ultra-low carbon steel

LÊ HOÀNG, PHẠM VĂN BÌNH, NGUYỄN VĂN TƯỞNG, BÙI ANH HÒA*
Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội
* Email: hoa.buianh@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 21/3/2017, Ngày duyệt đăng: 26/5/2017

TÓM TẮT

Trong bài báo này, thép các bon siêu thấp (ULC) được cán nguội và ủ kết tinh lại ở nhiệt độ 600, 700 và 800 ^oC với thời gian ủ khác nhau để xem xét ảnh hưởng của Nb và Ti đến tổ chức tế vi và độ cứng tế vi. Ảnh chụp hiển vi quang học đã cho thấy tổ chức tế vi của thép ULC thay đổi từ dạng thớ dọc theo hướng cán sang dạng hạt sau quá trình ủ. Khi nâng nhiệt độ hoặc kéo dài thời gian ủ, kích thước hạt kết tinh lại của thép ULC tăng lên và độ cứng tế vi giảm xuống. Ở 600 ^oC, kết tinh lại của thép ULC chứa Nb và Ti được coi là hoàn toàn sau thời gian ủ là 40 phút; tổ chức tế vi của thép gồm các hạt ferit tương đối đồng đều về kích thước. Từ kết quả đạt được, có thể kết luận rằng hợp kim hóa vi lượng thêm Nb và Ti đã có tác dụng làm chậm quá trình kết tinh lại, giảm kích thước hạt và tăng độ cứng tế vi của thép ULC sau quá trình ủ. Tỷ phần kết tinh lại của thép ULC khi ủ ở nhiệt độ 600 ^oC đã được tính toán dựa trên công thức John-Mehl-Avarami-Kolmogorov (JMAK).

Từ khóa: độ cứng tế vi, kết tinh lại, thép các bon siêu thấp, tổ chức tế vi, ủ

ABSTRACT

In this paper, ULC steel was cold-rolled and then annealed at 600, 700 and 800 ^oC with various soaking time to investigate influence of Nb and Ti on the microstructure and the microhardness. Optical observations have shown that the microstructure had changed from texture in the cold-rolled ULC steel to grains after annealing process. For higher temperature or longer soaking time during annealing, the grains size was increased and the microhardness of the ULC steel was decreased. At 600 ^oC, full recrystallization was completed in the Nb-Ti con- taining ULC steel which was soaked for 40 minutes; the microstructure included relatively homogeneous ferrite grains. It was concluded that Nb and Ti microalloying had effect on retard of recrystallization, decreasing the grains size of the microstructure and increasing the microhardness of the ULC steel after annealing. Fraction of the recrys- tallization of 600 ^oC-annealed ULC steel was calculated using John-Mehl-Avarami-Kolmogorov (JMAK).

Key words: annealing, microhardness, microstructure, recrystallization, ultra-low carbon steel

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Thép các bon siêu thấp (ULC) có hàm lượng C nhỏ hơn 0,005% (≈ 50 ppm), tổ chức thuần ferit, tính dẻo tốt nên được sử dụng để chế tạo các chi tiết yêu cầu độ dập sâu cao trong công nghiệp ô tô, đồ hộp thực phẩm, lon nước giải khát,… [1-3]. Trong thực tế, thép ULC sau khi cán nguội cần phải ủ kết tinh lại để khử ứng suất dư và phục hồi tính dẻo như ban đầu. Quá trình kết tinh lại trong khi ủ là một quá trình rất phức tạp, có ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính và tổ chức tế vi của thép ULC. Các nghiên cứu đã kết luận rằng, chế độ ủ (nhiệt độ, thời gian, tốc độ và môi trường nung) có ảnh hưởng trực tiếp đến hành vi và tốc độ kết tinh lại; do đó, việc xác định nhiệt độ và thời gian ủ là rất quan trọng đối với từng công đoạn tạo hình cụ thể để có thể đạt được tổ chức hạt mịn và cơ tính tối ưu của sản phẩm [3-7]. Để có hạt ferit nhỏ mịn sau khi ủ, một số nghiên cứu đã tiến hành hợp kim hóa vi lượng thêm nguyên tố hợp kim Nb hoặc Ti vào thép; kết quả là làm tăng độ bền và cải thiện độ dập sâu của thép sau cán nguội và ủ kết tinh lại [2,  8, 9].

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của Nb và Ti đến quá trình kết tinh lại khi ủ thép ULC sau quá trình cán nguội. Tỷ phần kết tinh lại khi ủ được xác định bằng công thức của John-Mehl-Avarami-Kolmogorov (JMAK). Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ đến tổ chức tế vi và độ cứng tế vi của thép ULC được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng để có thể đưa ra kết luận về vai trò của Nb và Ti đối với quá trình kết tinh lại.

2. THÍ NGHIỆM

Thép ULC được nấu luyện trong lò điện hồ quang chân không từ các loại nguyên liệu sạch tại Trường POSTECH (Hàn Quốc). Sau khi đông đặc, mẫu thép ULC có đường kính  chiều dày tương ứng là 40 mm  10 mm. Thành phần hóa học của thép ULC được phân tích bằng máy quang phổ phát xạ (Metal Lab 85/80J MVU) và kết quả như trong bảng 1. Tiếp theo, mẫu thép ULC được cán nguội theo một chiều xuống chiều dày 1 mm, tương ứng với tổng lượng biến dạng là 90 %. Sau khi cán nguội, mẫu được ủ trong lò điện trở với tốc độ nung và tốc độ nguội trung bình là 3 ^oC/phút. Theo các tài liệu nghiên cứu [6, 10], nhiệt độ kết tinh lại của thép các bon thấp khoảng 550 ^oC nên nhiệt độ ủ được chọn tương ứng là 600, 700 và 800 ^oC với thời gian giữ nhiệt khác nhau ở mỗi nhiệt độ để nghiên cứu sự thay đổi của kích thước hạt và độ cứng tế vi của thép ULC. Tổ chức tế vi được quan sát trên kính hiển vi quang học (Axiovert 25) theo hướng song song với hướng cán và độ cứng tế vi được đo trên máy Duramin (HV0.1). Giá trị độ cứng tế vi được lấy trung bình từ 3 lần đo trên tiết diện của mẫu thép ULC. Kích thước hạt được xác định theo phương pháp đường thẳng, lấy giá trị trung bình từ 10 lần đo.

Bảng 1. Thành phần hóa học của thép (% t.l)

Mẫu	C	Mn	Si	Nb	Ti	Fe
M1	0,004	0,444	0,214	–	–	còn lại
M4	0,005	0,468	0,216	0,07	–
M6	0,002	0,457	0,201	–	0,082

 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tổ chức tế vi của thép ULC sau cán nguội và ủ ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau được cho trong hình 1 và 2. sự phát triển của quá trình kết tinh lại được thấy rõ nét. Tổ chức tế vi của thép ULC sau cán nguội gồm các thớ biến dạng theo hướng cán (hình 1), tổ chức tế vi thay đổi theo nhiệt độ và thời gian ủ. Khi ủ mẫu M1 ở 600 ^oC, quá trình kết tinh lại xảy ra trong khoảng 05 phút; một số hạt mới được hình thành nhưng không xuất hiện trên toàn bộ thép, các hạt mới được quan sát thấy nhưng vẫn còn những hạt dài theo hướng cán.

Các hạt lớn tồn tại cùng với các vùng có nhiều hạt biến dạng và được bao xung quanh bởi nhiều hạt nhỏ cho thấy rằng sự không đồng nhất của quá trình kết tinh lại. Khi kéo dài thời gian ủ, sự phân bố các hạt kết tinh lại là đồng nhất, các hạt tinh thể xuất hiện đồng đều về hình dạng. Các mẫu thép ULC sau cán nguội được cho là kết tinh lại hoàn toàn sau 40 phút khi ủ ở 600 ^oC (hình 1), và chỉ sau 5 phút khi ủ ở 700 hoặc 800 ^oC (hình 2). Tuy nhiên, ở hai nhiệt độ này đã quan sát thấy sự lớn lên bất thường của một số hạt xảy ra trong tổ chức tế vi và các hạt tương đối lớn phân bố rải rác trong số các hạt nhỏ.

Bảng 2. Kích thước hạt của thép ULC (µm)

Mẫu	Điều kiện ủ
	600 oC (40 phút)	700 oC (5 phút)	800 oC (5 phút)
M1	32	46	73
M4	26	44	55
M6	22	38	42

Kích thước hạt trung bình của thép ULC sau khi ủ được cho trong bảng 2. Rõ ràng, kích thước hạt của thép ULC sau khi ủ ở 700 và 800 ^oC lớn hơn so với ủ ở 600 ^oC. Điều này tương tự như K. Carpenter khi cho rằng thời gian giữ nhiệt ngắn hoặc nhiệt độ ủ thấp sẽ làm hạn chế sự lớn lên của hạt, giảm sự hòa tan của các pha tăng bền và ôxy hóa bề mặt [11]. Kết tinh lại khử bỏ các lệch nhưng thép vẫn chứa các biên giới hạt không ổn định về mặt nhiệt động học nên kéo dài thời gian ủ làm hạt lớn lên, tức là nhiều hạt nhỏ sẽ mất đi và thay vào đó là các hạt lớn hơn với biên giới hạt có năng lượng thấp hơn. Sự lớn lên như vậy có thể là cách tạo thành một số hạt lớn hơn; quá trình này được biết như là sự lớn lên bất thường của hạt hay còn gọi là kết tinh lại lần hai.

Ngoài ra, bảng 2 cũng cho thấy hợp kim hóa thêm Nb và Ti đã có tác dụng làm nhỏ hạt trong quá trình kết tinh lại, đặc biệt khi nhiệt độ ủ cao đến 800 ^oC. Sự có mặt của hai nguyên tố này trong thép ULC cũng đã làm chậm quá trình kết tinh lại của thép ULC (xem hình 1) và ngăn các hạt ferit lớn lên do do sự tạo thành NbC và TiC trong thép ULC có vai trò như các chốt chặn sự dịch chuyển của các biên hạt [8,9].

Kết quả đo độ cứng tế vi được cho trong bảng 3.

Bảng 3. Độ cứng tế vi của thép ULC sau ủ (HV)

Mẫu	Nhiệt độ ủ (oC)	Sau cán	600				700	800
	Thời gian ủ (phút)		0	5	20	40	5	5
M1	Trung bình	206	93	86	81	77	76	75
M4		234	97	93	92	90	83	82
M6		197	146	139	129	127	86	79

Sự giảm độ cứng tế vi phụ thuộc chủ yếu vào việc khử ứng suất dư và mức độ kết tinh lại của thép. Sự thay đổi độ cứng tế vi theo nhiệt độ và thời gian ủ hoàn toàn phù hợp với kết quả chụp ảnh tổ chức tế vi ở hình 1 và 2. Rõ ràng, độ cứng tế vi giảm mạnh khi nhiệt độ ủ tăng lên hoặc thời gian ủ kéo dài. Điều này phù hợp với lý thuyết kết tinh lại, theo đó tổ chức tế vi và các tính chất khác được khôi phục lại so với ban đầu sau khi ủ  thép cán nguội [4, 7]. Thép ULC sau biến dạng nguội có độ cứng tế vi lớn nhất bởi vì trong thép còn ứng suất biến dạng dư. Mẫu thép M6 sau cán có độ cứng tế vi nhỏ hơn có thể là do có hàm lượng C thấp hơn mẫu M1 và M4.

Hình 3 và 4 cho biết ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ đến độ cứng tế vi của thép ULC. Theo đó, ở giai đoạn đầu của quá trình ủ thì độ cứng tế vi bắt đầu có hiện tượng giảm; nguyên nhân được cho là do thép đang trong giai đoạn phục hồi tổ chức tế vi ban đầu. Khi kéo dài thời gian ủ đến 40 phút (đối với nhiệt độ 600 ^oC) hoặc tăng nhiệt độ ủ đến 800 ^oC (đối với thời gian 5 phút), độ cứng tế vi của thép giảm xuống rõ rệt. Trong tất cả các điều kiện ủ, thép ULC hợp kim hóa thêm Nb và Ti có độ cứng tế vi giảm ít hơn. Điều này được giải thích là do mẫu M4 và M6 có kích thước hạt nhỏ hơn và tồn tại pha hóa bền NbC và TiC trong thép.

Kết tinh lại lần 1 được phân thành 2 giai đoạn: (1) tạo mầm tương ứng với sự xuất hiện đầu tiên của hạt mới trong tổ chức tế vi, và (2) lớn lên của các hạt tinh thể mới thay thế các thớ biến dạng [4]. Mặc dù 2 giai đoạn này xảy ra liên tiếp nhau đối với một hạt bất kỳ, nhưng giai đoạn tạo mầm và lớn lên có thể xảy ra đồng thời tại bất kỳ thời điểm nào trong toàn bộ thể tích của thép. Vì vậy, động học của quá trình kết tinh lại tương tự như quá trình chuyển pha xảy ra gồm tạo mầm và lớn lên của hạt tinh thể. Để nghiên cứu, cần phải tính tỷ phần thể tích kết tinh lại (XV) theo độ bền kéo hoặc kích thước hạt nhưng độ cứng tế vi được sử dụng phổ biến hơn [4-6]. Phương pháp độ cứng tế vi được nghiên cứu sớm nhất do Kolmogorov (1937), Johnson và Mehl (1939), và Avrami (1939) nên thường được biết đến dưới dạng công thức JMAK [4]. Tỷ phần kết tinh lại được xác định dựa trên giá trị độ cứng tế vi thông qua công thức (1).

Ở đây, MH0 là độ cứng tế vi của thép sau cán nguội. MH(t) và MH(c) là độ cứng tế vi của thép sau thời gian ủ là t (đơn vị: s) và sau khi kết tinh lại hoàn toàn ở nhiệt độ ủ xác định.

Trong phạm vi bài báo này, quá trình kết tinh lại của thép ULC khi ủ ở nhiệt độ 600 oC được coi là hoàn toàn sau 5 phút (đối với mẫu thép M1) và 40 phút (đối với mẫu thép M4, M6); tổ chức tế vi tương ứng là các hạt có kích thước tương đối đồng đều (xem hình 1). Tuy nhiên, có thể thấy rằng tổ chức tế vi của mẫu thép M6 bắt đầu xuất hiện các hạt sau khi ủ 20 phút; tức là quá trình kết tinh chưa xảy ra khi giữ nhiệt trong thời gian 05 phút. Công thức xác định XV theo JMAK đòi hỏi giai đoạn khử ứng suất và phục hồi tổ chức tế vi phải được đánh giá riêng biệt [4,12]. Vì vậy, công thức JMAK chỉ được áp dụng đối với mẫu thép M4 khi ủ ở nhiệt độ 600 ^oC như trong bảng 4. Trong đó, MH0 là độ cứng tế vi của thép ULC sau cán, MH(c) là độ cứng tế vi của thép ULC sau khi ủ 40 phút, và MH(t) là độ cứng tế vi sau khi ủ một thời gian xác định.

Bảng 4. Tỷ phần kết tinh lại của thép ULC khi ủ ở 600 ^oC

Mẫu	Thời gian (s)	Độ cứng (HV)	XV
M4	0* (cán)	234	0
	0	97	0,9513
	300	93	0,9791
	1200	92	0,9860
	2400	90	1

Hình 5 cho biết mối quan hệ giữa thời gian ủ (t) và tỷ phần kết tinh lại (XV) theo mô hình của JMAK, tức là quá trình kết tinh lại được xem là đã xảy ra trước khi nhiệt độ đạt tới 600 ^oC. Ở giai đoạn đầu, tỷ phần kết tinh lại tăng rất nhanh và sau đó giảm dần. R. Mendoza và cộng sự [12] đã tính toán động học quá trình kết tinh lại của thép ULC qua tỷ phần kết tinh lại theo công thức (2).

X_v = 1 – exp [-ktⁿ]                                         (2)

Ở đây, t là thời gian kết tinh lại (đơn vị: s); k và n là hằng số liên quan đến hình dạng và động học của quá trình tạo mầm và lớn lên của hạt. Tuy nhiên, để tính toán được giá trị của k và n thì cần phải làm rất nhiều thí nghiệm và quan trọng là xác định được chính xác thời điểm kết thúc giai đoạn khử ứng suất. Do đó, cần tiến hành các nghiên cứu tỷ mỷ hơn để có thể xác định được chính xác giá trị k và n trong công thức (2) đối với quá trình kết tinh lại của thép ULC.

4. KẾT LUẬN

Trong bài báo này, ảnh hưởng của Nb và Ti đến quá trình kết tinh lại khi ủ thép ULC sau cán nguội được nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi quang học và đo độ cứng tế vi. Có thể kết luận rằng quá trình kết tinh lại rất phức tạp và độ cứng ảnh hưởng mạnh bởi tổ chức tế vi của thép ULC. Sự thay đổi độ cứng tế vi của thép ULC cho thấy phù hợp với sự lớn lên của hạt ferit trong quá trình ủ. Kích thước hạt của thép ULC tăng lên (hoặc độ cứng tế vi giảm xuống) khi nhiệt độ ủ tăng từ 600 lên 800 ^oC, hoặc thời gian ủ kéo dài đến 40 phút. Kết quả nghiên cứu đã khẳng định rằng Nb và Ti có tác dụng làm chậm quá trình kết tinh lại của thép ULC, dẫn đến làm giảm kích thước hạt và tăng độ cứng tế vi của thép khi ủ. Tỷ phần kết tinh lại của quá trình kết tinh lại khi ủ thép ULC ở 600 ^oC đã được tính toán dựa trên công thức của John-Mehl-Avarami-Kolmogorov (JMAK).

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. R. Shukla, S. K. Das, B. R. Kumar, S. K. Ghosh, S. Kundu, and S. Chatterjee, An ultra-low carbon, themo- mechanically controlled processed microalloyed steel: microstructure and mechanical properties, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 43, 2012, pp. 4835-4845
2. Yusuke Nakagawa, Masaki Tada, Katsumi Kojima and Hiroki Nakamaru, Effect of Nb contents on size of fer- rite grains and Nb precipitates in ultra-low carbon steel for cans, ISIJ International, Vol. 56, No. 7, 2016, pp. 1262-1267
3. Lung-Jen Chiang, Kuo-Cheng Yang and I-Ching Hsiao, Effect of annealing conditions on bake hardenability for ULC steels, China steel technical report, No. 24, 2011, pp. 1-6
4. John Humphreys, Max Hatherly, Recrystallization and related annealing phenomena, Elsevier, 2004
5. Nurudeen A. Raji, Oluleke O. Oluwole, Recrystallization kinetics and microstructure evolution of annealed cold-drawn low-carbon Steel, Journal of Crystallization Process and Technology, Vol. 3, 2013, pp. 163-169
6. B. Soleimani Amiri and G. H. Akbari, Recrystallization behavior of deep drawing low carbon steel sheets pro- duced by Mobarakeh steel plant, International Journal of ISSI, Vol. 2, No. 2, 2005, pp. 36-42
7. Yaping Lu, Dmitri A. Molodov, Recrystallization kinetics and microstructure evolution during annealing of a cold-rolled Fe-Mn-C alloy, Acta Materialia, Vol. 59, 2011, pp. 3229-3243
8. Ji-Ping Chen, Yong-Lin Kang, Ying-Min Hao, Guang-Ming Liu, Ai-Ming Xiong, Microstructure and properties of Ti and Ti+Nb ultra-low carbon bake hardened steels, Journal of iron and steel research international, Vol. 16, No. 6, 2009, pp. 33-40
9. P. Tian, R.G. Bai, X.L. Zhang, H. Gao, Y. Cui, Z.Y. Zhong, Influencing factors of Nb-Ti treated ULC-BH steels bake hardening property, International conference on artificial intelligence and industrial engineering, AIIE, 2015, pp. 597-600
10. J. E. Neely, T. J. Bertone, Practical metallurgy and materials of industry, Prentice-Hall, Inc., 2000, pp. 144
11. K. Carpenter, The influence of microalloying elements on the hot ductility of thin slab cast steel, PhD thesis, University of Wollongong, 2004
12. 12. R. Mendoza, M. Alanis, O. Alvarez-Fregoso and J. A. Juares-Islas, Processing conditions of an ultra-low car- bon/Ti stabilised steel developed for automotive applications, Scripta Materialia, Vol. 43, 2000, pp. 771-775.