Vynález se týká způsobu tepelného .zpracování ocele s vysokou pevností - v tahu o složení v % hmotnostních' 0,03 až 0,09 % uhlíku,- 0,05 až 0,60 % křemíku, 0,10 až 0,60 procent manganu, 1,8 -až 8,0 % niklu, 0,4 až 2,5 % chrómu a 0,5 až 2,5 % molybdenu, přičemž součet polovičního množství niklu, množství chrómu a množství -molybdenu je větší než 3,4 °/o, a ' dále obsahující 0,0.1 až 0,09 — hliníku a 0,001 až 0,15 % titanu, jednotlivě nebo ' ve vzájemné ' kombinaci, přičemž zbytek -je železo a nečistoty, a případně obsahující ještě stopy až 0,16 % vanadu, stopy až 0,07 í% niobu, stopy až 0,007 % boru a . stopy až 4,0 . '% kobaltu jednotlivě nebo ve vzájemné kombinaci.
Téměř všechny ocele běžného typu s. vysokou a ultravysokou pevností v tahu se mohou zlepšit co:do .pevnosti v tahu a vrubové houževnatosti tepelným zpracováním, jako, je kalení a popouštění, přičemž složení takové ocele- sé nastaví tak, že se zvýší . její tvrditelnost zakalením při tepelném zpracování kalením a popouštěním, takže její struktura představuje buď martensitickou strukturu nebo popouštěnou martensitickou strukturu. .
Z tohoto důvodu 'obsahuje . běžná ocel s vysokou pevností v tahu příliš mnoho prvků zvyšujících tuto pevnost a také příliš vy196437 ' ' 2 ' soký obsah C a Mn za účelem zvýšení její tvrditelnosti kalením, přičemž s hlediska vlastností matečné ocele je její vrubová houževnatost -příliš nízká oproti pevnosti v tahu. . '
Pokud jde o svařitelnost, dochází ke značnému vytvrzení pásma zasaženého svářecím teplem a k vytvoření tvrdé a křehké martensitické . struktury v takovém . pásmu po sváření, což se projevuje jako -snížení vrubové houževnatostí ' a snadné tvoření prasklin ' ve. svaru.
Uvedené nedostatky odstraňuje způsob tepelného zpracování - podle - vynálezu, jehož . podstata záleží v tom, že ocel -se zahřívá pa 800 až 950 °C nad bod - přeměny A5, - potom se v období alespoň 5 sekund ochladí z 800 - na 400 °C - a potom se ochladí ze 400- na 100 °C nejméně - v 17 sekundách, - maximálně - v 600 . sekundách, načež se popouští při teplotách 500 až 680 °C pod - bodem přeměny Ai.
Způsobem podle vynálezu se dostane --nová bainitická ocel- s vysokou - pevnosti, v tahu tím, že se zlepší její svařitelnost a usnadní vytvoření bainitické - -struktury, čímž se značně zlepší funkce původního materiálu i jeho svařitelnost.
Složení a tepelné zpracování - ocele - podle vynálezu bude nyní vysvětleno za - pomoci přiložených - výkresů, - kde na obr. 1 - je graf
191437 znázorňující vztah mezi · množstvím Ni a · mezi energií VE absorbovanou ocelí' zpracovanou podle vynálezu ' při vrubové · žkoušce Charpyho na vrub · V, na obr. 2 je graí znázorňující ' vztah mezi ' množstvím Ni a pevností v tahu · u · ocele ' zpracované podle vynálezu, · ná obr. '3 je graf, znázorňující vztah mezi hodnotou meze · průtažností a mezi pevností v' tahu u ocele zpracované podle · vynálezu a množstvím Cr, na obr. 4 je graf znázorňující ' vztah mezi ' -množstvím Mo a mezí průtažnosti · 'a pevnosti v tahu · u ocele zpracované podle vynálezu, na obr. 5 je graf znázorňující ' vztah mezi součtem množství · Ni/2 + Cr +' Mo ' a mezi ' energií absorbovanou· ocelí podle vynálezu při vrubové zkoušce 'Charpyho na ' vrub V, na obr. 6 je · graf přeměny ocele po plynulém chlazení při tepelném zpracování, na obr. 7 je graf ' znázorňující ' vztah mezi hodnotou součtu ' množství Ni/2 + Cr + Mo a mezi /dobou plynulého chlazení ocele zpracované podle vynálezu a na obr. 8 až 10 jsou snímky znázorňující mikroskopickou strukturu ocele zpracované podle vynálezu.
Aby se bainitická struktura mohla ' vytvořit ve 'zvlášť velkém rozsahu, upraví se · složení ocele pro zpracování podle . vynálezu tak, ' že · obsahuje · v % hmotnostních · 0,03 . až 0,09 % C, 0,05 až 0,60 <<^ Si, 0,10 až 0,60 % Mn, 1,8 až · 8,0 o/0 Ni, 0,4 až 2,5 % Cr a 0,3 až
2,5 .% Mo· dále 0,01 až 0,09 % AI nebo/a 0,001 až 0,15 o/o Ti, přičemž hodnota součtu množství Ni/2 ,+ Cr + Mo je nastavena větší než 3,4 %, a kromě toho v případě · potřeby obsahuje jeden nebo dva prvky ze skupiny: méně než 0,16 · % V, méně než 0,07 · % Nb, méně než 0,007 °/o в a méně než 4,0 % Co. Uhlík působí · ve smyslu zvyšování pevnosti v tahu u ocele, avšak jeho- · příliš vysoký obsah může vést ke zvýšení ťvrditelnosti kalením a ke zhoršení svaritelnosti ocele, takže se obsah . uhlíku upraví na zvlášť nízkou hodnotu · za účelem umožnění vytvoření bamltické struktury tím, že. se zabrání· vytvoření martensitické struktury.
Jelikož však obsah uhlíku je mimořádně nízký, sníží · se.tím.pevnost ocele v tahu, takže spodní hranice obsahu uhlíku je určena hodnotou 0,03 %. Křemík je při výrobě oceli · přítomen v · množství vyšším než ·0,5 '% . hmotnostních, · avšak větší obsah než 0,60 % tohoto prvku může ·snížit švařitelnost ocele, takže jeho· obsah · je · určen intervalem 0,05 až 0,60 % hmotnostních.
Podobně jako uhlík působí také · mangan ve smyslu zlepšení · pevnosti ocele v · tahu, avšak jeho příliš· vysoký . obsah by mohl zvýšit tvrdltelnost ocele kalením a snadno vytvořit martensitlčkou strukturu, čímž se ' zvýší sklon ke tvrdnutí pásma zasaženého svářecím teplem a ke · zhoršení svařitelnosti ocele; obsah Mn bude tedy podle určení · nižší než. 0,60 · % · hmotnostních za účelem vytvoření bainitičké struktury při zamezení tvoření martensitické struktury a zlepšení svařitelnosti ocele podle vynálezu.
Zároveň · však příliš nízký obsah · Mn by mohl vést ke snížení pevnosti v tahu, takže jeho obsah má spodní mez· 0,10 %.
Je známo, že· Ni, Cr a Mo · jsou nejúČínnější · legovaní · prvky · pro· vytvoření · bainitičké struktury. · Především Ni působí ve smyslu zlepšení' vrubové houževnatosti ocele. Zejména obr. 1 ukazuje účinek obsahu Ni na vrubovou houževnatost · lité ocele vyrobené · z ocele zpracované podle vynálezu, přičemž úsečka vyznačuje obsah Ni v · %. hmotnostních · a pořadnice · vyznačuje . ' absorbovanou energii VE ——20° v . joulech při ·—20 °C zjištěním Charpyho vrubovou · zkouškou rázem o vrubu · V, čímž · sé získá křivka, proložená prázdnými · kroužky, bez popouštěcího · zpracování a · další křivka proložená plnými kroužky s popouštěcím zpracováním při 580 stupních Celsia. . .
Jak je z těchto křivek ' na obr. 1 patrno, nepozoruje se žádná změna vrubové houževnatosti v případě ocele bez. popouštění, avšak popouští-li se ocel obsahující více než 8 hmotnostních Ni, má sklon snižovat svou vrubovou houževnatost oproti počátečnímu' požadavku, takže .obsah Ni musí být větší než 1,8 % hmotnostních, aby vrubová , houževnatost byla · více než 27,5 J · při —20 °C.
Obr. 2 ukazuje účinek Ni na pevnost ocele v tahu, přičemž na úsečce je nanesen obsah Ni v 1% hmotnostních a na. pořadnici pevnost v tahu v MPa; křivka proložená prázdnými kroužky znázorňuje pevnost v tahu · bez popouštění a křivka proložená plnými · 'kroužky znázorňuje pevnost v tahu při popouštění na 58Ů °C a v tomto případě bylo zjištěno, že více než 8 % hmotnostních Ni nemá vliv na · pevnost v tahu. Z tohoto vztahu lze určit obsah Ni v rozmezí 1,8 až 8,0 % hmotnostních.
' Chrom je zapotřebí pro vytvoření· bainitické · struktury a pro zvýšení pevnosti oce. le v tahu, avšak příliš velký obsah Cr neumožňuje další zvyšování v pevnosti v tahu.
Obr. 3 · znázorňuje účinek obsahu Cr na pevnost v tahu u ocele podle · vynálezu, přičemž · úsečka · udává obsah Cr v °/o hmotnostních · a pořadnice udává v · MPa mez .průtažnosti a pevnost v tahu u ocele bez · popouštění, aby byl ujasněn · jejich vzájemný vztah. Úsečka · proložená prázdnými kroužky znázorňuje pevnost·· v tahů, úsečka · proložená prázdnými ’ trojúhelníčky znázorňuje mez průtažnosti. Jak je z tohoto· grafu patrno, ' lze získat stálou. pevnost V tahu pro obsah · Cr v rozmezí 0,4 až · 2,5 % hmotnostních. Z toho důvodu je obsah Cr určen intervalem 0,4 áž 2,5 % hmotnostních. * .
Molybden je · nutný · pro vytvoření bainitické · struktury a pro zvýšení pevnosti v · tahu, avšak příliš velký · obsah nemá vliv · na zvýšení pevnosti v · tahu.
Obr. · 4 znázorňuje účinek· obsahu Mo na pevnost v tahu u ocele .podle vynálezu, přičemž úsečka udává obsah · Mo v · ·% hmotnostních a pořadnice udává v MPa mez· průtažnosti a pevnost v tahu u ocele · bez popouštění za účelem ozřejmění · jejich vztahu.
Křivka · proložená prázdnými kroužky udává
198437 ' · 5 . ' pevnost v tahu, .křivka. proložená prázdnými trojúhelníčky udává mez ' průtažnosti.
’ Z tohoto· · grafu je zřejmé,· .že · se mez průtažnosti téměř nemění, když obsah Mo přesáhne hodnotu . 0,3 · % hmotnostního, · avšak . při . zvyšování obsahu Mo se · také zvyšuje, pevnost v tahu. · ' . .
Avšak · více · ·než ·2,5 · % · hmotnostního Mo již · nepůsobí zvýšení, pevnosti · v tahu, takže vhodné rozmezí ' jeho· obsahu, je 0,3 až· 2,5 % hmotnostního. · ·...... . '
Nyní · bude podrobně vysvětleno působení Ni, Cr a Mo · na vrubovou houževnatost ocele podrobené ' tepelnému zpracování podle vynálezu. V ·obr. 5 je na úsečce nanesen součet Ni/2 + Cr + Mo v %· · hmotnostních jako parametr těchto prvků a na pořadnici je udána energie VE-20. absorbovaná při Charpyho vrubové zkoušce se vrubem V o hloubce 2 mm, · při —20 °C v J pro ocel podle vynálezu.
Z · tohoto vyobrazení vyplývá, že ' 'hodnota Ni/2 + Cr · + Mo musí být větší.'než ' 3,4 % hmotnostních, aby se vrubová houževnatost, VE-20, obdržela v 'hodnotě větší než 27,5 · J. ' Proto je složení ocele podle vynálezu nastaveno· tak, aby součet Ni/2 + Cr · Mo byl větší než 3,4 ·% hmotnostních. Pro· odkysličení a vytvoření jemných krystalických zrn při výrobě ocele je nutno 0,01 až 0,09 % hmotnostních AI, avšak · větší obsah. ' než 0,1 % hmotnostních vede ke snížení vrubové houževnatosti v rozpouru k původnímu záměru, kdežto méně než 0,01 % · hmotnostních se ukázalo naprosto· neúčinným. Pro odkysličení a vytvoření jemných krystalických zrn se může použít také Ti, který má téměř stejný účinek jako AI, a v tomto případě vhodný obsah Ti je s výhodou v rozmezí 0,001 až 0,15 % hmotnostních. Pro· shora uvedené účely lze také užít kombinace AI a Ti.
V, Nb a ·Β ve velmi malých množstvích z působí ve smyslu zvyšování pevnosti v tahu téměř1· bez snížení vrubové houževnatosti ve znatelném stupni. Podobně malá množství Cq nebudou mít znatelný účinek na pevnost v tahu a vrubovou houževnatost. Výhodná množství těchto prvků pro dané účely «budou · méně než 0,16 % hmotnostních V, méně než 0,07 % hmotnostních Nb, méně · než 0,007 procent hmotnostních B a méně než · 4 % hmotnostních Co, přičemž současně lze · z těchto prvků použít jeden nebo dva ' nebo i více.
. Nyní bude · popsáno podrobněji tepelné zpracování · ocele podle vynálezu.
Obr. 6 znázorňuje graf přeměny ocele při plynulém chlazení po zahřátí nad 850 °C, tj. nad · bod přeměny A3, a to u · ocele skládající se v o/o hmotnostních z 0,7 %' C, 0,21 % Si, 0,30 %· Mn, 3,38 · %' Ni, 1,55 % Cr, 0,95 procent Mo, 0,019 ·<% AI kromě železa a nezbytných nečistot. V to-rnito· grafu · je· na úsečce nanesen čas chlazení v sekundách při logaritmickém dělení od · teploty 800 °C· a pořadnice vyznačuje ve stupních Celsia a při lineárním dělení teploty za účelem vymezení oblastí transformace ocele. A označuje 6 austenltidkou oblast, B označuje oblast přeměny na bainítickou strukturu, M označuje oblast přeměny · na martensitickou strukturu, přímka · a · · — Jb vyznačuje' počáteční bod přeměny ' na martensitickou · strukturu, křivka b — c · vyznačuje počáteční bod · přeměny na . bainítickou. strukturu, přímka d — e vyznačuje přibližně ukončení martensitické ' přeměny q křivka e — ·f vyznačuje přibližně koncový bod' bainitické přeměny. 'Na výkresu kromě toho· vyznačuje křivka 1 chladicí křivku procházející· průsečíkem e ' mezi · martensitickým bodem · a · bainitickým bodem . a křivka ,2 je kritická 'chladicí křivka pro· vytvoření bainitické · struktury, tj. chladicí křivka procházející průsečíkem · b mezi · martensitickým bodem - a bainitickým bodem. · Podle výkresu, probíhají-li chladicí podmínky rychleji než chladicí křivka · 2, se všechna ocel transformuje na mertensitickou strukturu a při jejich průběhu pomalejším, než je chladicí . křivka 1, · se všechna ocel · zcela transformuje na bainitickou strukturu. ' · Doba chlazení od 800r °C · na 400 °C na kritické chladicí křivce· 1 pro tvoření · ' bainitické struktury · je označena jako Si, · doba ' chlazení od 800 °C na 400 °C na chladicí křivce 2 je 'označena jako· . S2 a chladicí doba · od 400 stupňů Cgijsía ha 100 °C je · označena 'jako Ss.
Podle těchto údajů · musí' pro umožnění vytvoření bainitické struktury přesahovat doba chlazení od 800 °C na 400 °C hodnutu S2 sekund, ' ' aby chladicí křivka ' mohla přejít do' bainitické oblasti. Potom, pokud jde o podmínky chlazení ' od · 400 °C, probíhá chladicí úsek chladicí · křivky 1 podél kritické chladicí ' křivky pro vytvoření bainitické struktury. To znamená, že při souhlasu teplotního· rozsahu 's teplotou pro vytvoření martensitické struktury v rozmezí mezi 400 stupni Celsia a 100 °C a při rychlém· chlazení ocele v tomto teplotním rozsahu je možnost vzniku martensitu, i když chlazení od 800 °C na 400 °C probíhalo pomalu. Aby se tedy v ' oceli vyvolala bainitická · struktura, musí být doba chlazení od · 400, “C na 100' °C delší než S3 sekund.
, Obr. 7 ukazuje vztah mezi složením ocele · a časovým rozmezím· S2 a Ss. Na . výkresu vyznačuje úsečka v lineárním dělení součet Ni/2 + Cr 4- Mo v %· hmotnostních jako parametr · efektivního obsahu Ni,. Cr a Mo pro vytvoření bainitické struktury, · kdežto pořadnice ' nese v logaritmickém dělení doby S2 a Ss pro· ujasnění tohoto vztahu v sekundách. Křivka proložená plnými kroužky značí ' Ss, křivka proložená prázdnými kroužky značí S2.
Z tohoto· vztahu plyne pro· ocel podle vynálezu, že S2 je ve· všech · případech meňší než '6 sekund a téměř se nemění s hodnotou Ni/2 + 4Cr + Mo, avšak hodnota Ss vzrůstá při zvyšování hodnoty Ni/2 + ' Cr + Mo·, i když ne vícp než o 27 sekund. Je vidět, že součet ' Ni/2' + Cr + Mo · bude 3,4 %' nebo vícé ,a doba S3, odpovídající této hodnotě, bude 17 sekund. Pokud jde o chladicí · pod198487 minky ocele po jejím tepelném zpracování, pak se tato ocel podle vynálezu po jejím zahřátí nad bod přeměny Аз ochladí z teploty 800. °C na 400 °C v době delší než 6 sekund a pak se plynule, chladí z teploty 400 °C na 100 °C v době delší než alespoň 17 sekund. Za těchto chladicích podmínek je zaručeno, že ocel podle Vynálezu bude mít bainltickou strukturu.
V .důsledku bainitické struktury vytvořené takto shora uvedenými chladicími podmínkami má pevnost v tahu i vrubová houževnatost velmi vysokou hodnotu. Tyto vlastnosti jsou postačující i bez popouštění, avšak při nutnosti vyšší vrubové houževnatosti se může ocel chladit za chladicích podmínek ilustrovaných na obr. 1, čímž se v oceli vytvoří bainitické struktura a potom se ocel· vhodně popouští. Proto bude nyní podáno několik příkladů jak přitom postupovat.
V tabulce 1 jsou sestavena chemická složení, podmínky zahřívání a mechanické Vlastnosti ocelí podle vynálezu. Značky A až К označují litou ocel, značky t a M kujmou ocel a značký N a O ocelovou desku, přičemž značka O udává chemické složení, podmínky zahřívání a mechanické vlastnosti ocelí podle dřívějšího stavu techniky.
Jak je z těchto příkladů vidět, dodává složení ocele této oceli velkou pevnost v tahu a vysokou vrubovou houževnatost, přičemž přísada V,'Nb, В a Co v této oceli zajišťuje i další žádoucí vlastnosti.
Pokud jde o svařitelnost těchto ocelí, Je v tabulce 2 uvedena maximální tvrdost Hv svařeného úseku v pásmu zasaženém svářecím teplem u ocele N z tabulky 1, dále předehřívací teploty pro zamezení prasklin v kořenu a vrubová houževnatost svařeného úseku, při maxlpiální svářecí teplotě 1350 fcC.
Jak je z tabulky 2 patrno, je u ocele zpracovávané podle vynálezu tvrdost svářeného pojeného úseku nízká, sklon к tvoření prasklin Je velmi nízký a pojený úsek má dobrou svařitelnost, aniž by se stal křehkým.
Na obr. 8 je znázorněna mikroskopická struktura ocele A z tabulky 1, na obr. 9 ocele C a na obr. 10 ocele N bez popouštění ve zvětšení 500 násobném, takže všechny ocele mají bainltickou strukturú.
Ocele zpračQvané podle vynálezu lze užít pro výrobu ocelových desek, lité ocele a kujné ocele a také jako materiál pro ocelová potrubí, ocelové tyče, tvarovanou ocel a drá' ty·—<
H
Ю CD CD CD CO CO · . CD CM A CO A CO CM A o o o oo o o
188437
Označení Druh C S1 Μη P S Mi Cr Mo V Nb В Co Cu
LO Ю b CD Ю СО СЛ A A A A CM rH A .
Ю CO CM © CM CM CM A
CD LD Ю A · © A © 00 O ©
СП А
ACD
CDA oo o©
Tři
Xj1©OOCnCMCMinrt<© o cc CD in O ts ω b cn CM CO 00 00 ΙΌ 0*1 © ΙΩ ΙΩ
© A CM © © © |
in © |
© CM |
3 |
xH rH CM |
co |
iri |
A. |
13«437
Tabulka 1 — pokrač-ování
Značka Druh . T 17 SA27 SB3/ popouštěcí mez pevnost prodloužení 4kontrakce VE-20 (°C) (s) (s) teplota (°C) průtažností v tahu (%) (%) (J) (MPa) (MPa) oo оз тг со см © © ©
TJ< © СО СО © © r-fbi оо CD ©Ю©Ю^Гч©©©^
СО О CD гН О © © © ^ лф UD © © ’Ф Ю © © О © © © ©
Ή тН ©
КгИГ^СД©^©©^ © Гх © © ©O3tS©©COtSCD©©©©©© rxts©©©tx©©©co©ts©o)
Гх © © © 03 гч £2 сл Я гНОЗОО©гН’’#тНгНОЗ©'^©’^0 срсч©©со©гчочсоаю©ю©$2 ©©©©©©©Гч©©©©03©0
O |
o |
o |
o |
o |
Ф |
o |
C5 |
Ф |
а |
Q‘ |
CD |
o |
O |
© |
1 00 |
1 00 |
1 00 |
1 00 |
1 00 |
1 00 |
1 00 |
1 00 |
I © |
1 00 |
1 00 |
1 00 |
1 00 |
© |
1 © |
1 © |
1 © |
i © |
1 © |
1 © |
1 © |
© |
1 © |
1 © |
1 © |
1 © |
1 © |
© |
© |
© |
CD |
© |
© |
03 |
© |
O |
03 |
© |
t—1 |
© |
O |
rH |
rH |
rH |
Ol |
© |
Ol |
rH |
© |
© |
© |
rH |
(33 |
o |
Γχ |
rH |
rH * |
rH |
rH |
rH |
rH |
tH |
rH |
r-í |
rH |
rH |
© |
|
Cs |
© |
© |
03 |
ts |
O |
03 |
© |
© |
© |
© |
© |
s |
64 |
© |
© |
© |
© |
© |
|
© |
|
|
|
© |
© |
© |
© |
© |
CD |
2 |
o |
O |
o |
CD |
o |
© . |
o |
. O |
o |
o |
o |
o |
O |
o |
o |
O |
o |
O |
o |
o |
CD |
O |
o |
CD |
© |
© |
O) |
03 |
CD |
03 |
03 |
03 |
03 |
03 |
CD |
03 |
03 |
03 |
© |
© |
© фГ ) SA: doíba ochlazování z 800 na 400 °C 4,6) — průměr 14 mm
3) SB: doba ochlazování z 400 na 100 °C .
4) vzorek pro zkoušku délka 50 mm, průměr 10 mm
Ф ё |
Ф
8 |
аз
,ё |
0) ё |
Φ
ё |
φ ё |
ф
ё |
Ф ё' |
Ф
ё |
ф ё |
Ф
ё·. |
ф ё |
Ф
ё |
Ф о. о |
ф о О |
|
|
'ri |
>ri |
4ύ· |
ча |
ча |
|
чО |
'ri |
'ri |
'ri |
'ri |
'ri |
'ri |
£ |
я |
|
£ |
£ |
Ч-» |
4-> |
4-» |
|
4-· |
4-J. |
4-> |
4-1 |
4—1 |
4-1 |
|
Д |
55 |
5н |
|
г-Ч |
Í—1 |
—< |
|
г-н. |
5-4 |
|
53 |
53 |
53 |
4 Tabulka 2 - '
Značka maximální tvrdpst předehřívací teplota a procento prasklin předehřívací vrubová houževnatost (J/cm2)
Hv v kořenu zjištěné zkouškou na vzorku teplota pro svařovaného pásma svařeného úseku s úkosem v zamezení prasklin (maximální zahřívací teplota:
RT 50°C. 75 OC . vkořenu 1350<Ό) při —50°C (5x5x55, 1 i