CS196442B2 - Low-carbon steel resistant against aging - Google Patents

Description

Autor vynálezu ELIAS JAMES ANDREW, MIDDLETOWN a a současně HOOK ROLL-IN · EARL·,. DAYTON . (Sp. st. a.) ' majitel patentu . ' · (54) Nízkouhlíková ocel nepodléhající ·, stárnutí

Vynález se . týká nízkouhlíkové nestárnoucí QQeli s . niobem, nevykazujícím . prodloužení na mezi kluzu v žíhaném stavu, která má. vynikající povrchové vlastnosti a je . v podstatě prostá nekovových.vměstků . při širokém' spektru mechanických vlastností, a ' způsobu výroby. této oceli./ ... .

.'.Ocel podle . vynálezu . je ve formě plechu zvlášť vhodná . k . hlubokému tažení a . protahování a . hodí se'pro. . způsoby pokovování a . pro . výrobu . s keramickými . smalty.

V americkém patentovém spise č. ' . 3 183 C^7*8, vydaném . 11. května 1965, . původců T. 'Ohtake a . spol., . sé popisuje způsob . výroby nestárnoucí oceli určené ké smaltování s dobrou tažpostí. . Podle tohoto způsobu še vyrábí . tavená ocel obsahující . v % hmotnostních . méně . než . 0,04 % : uhlíku a . její . ostatní složení je jinak srovnatelné s běžnou ' -neuklidněnou ocelí, s výjimkou výhodného obsahu manganu maximálně . 0,5 °/o; roztavená . ocel se vakuuje ke snížení obsahu' . uhlíku na méně než. 0,02 %·, méně než 0,02Ó'%. síry a 0,002 až 0,007 % dusíku a přidává se do· ní hliník a titan . v množství postačující k vázání uhlíku, . dusíku a síry, přítomných v · oceli.

Francouzský patentový . spis č. - 1,511.529, . z 18. . prosince . 1967 společnosti'. . Yawata . Iron and. Steél Co. Ltd., popisuje podobný způsob, jako uvedený patentový spis americký, výro198442

... 2 . . .-...,/ >

by za . studená . válcovaného, plechu . Š ' dobrou hlubokotažností . a s dobrými . tažhýmrvlastnostmi.·.. Podle tohoto francouského’. patentového spisu. se roztavená ocel vakuuje při současném přidávání hliníků jakožto desoxidačního. činidla, . čímž se získá odplyněná .ocel obsahující v % . hmot, méně .než 0,020 % uhlíku a méně než 0,015 % . kyslíku.. Titan še přidává ve hmotnostním . poměrů'.. 4:1 . vůči uhlíku a odplyněná . . ocel se pak. odlévá, válcuje se za tepla . při. dokončovací teplotě nad 780· °C'. (1053 K),. válcuje se za . studená při redukčním poměru vyšším než' .30 . % . a .. nakonec se žíhá při teplotě 650. až 1000°C (923 až 1273 K). .... ... ........ :

U. . nízkouhlíkové .oceli . podle . ' vynálezu; je průměrný poměr trvalého poměrného. . prodloužení . r normalizovaná veličina .vypočtená jako '

r. == r/i. [r(podélné) -г-r (příčné) Ч-4,2r(.diagonální)]. .

Vzhledem. . k nevýhodám zvýšených nákladů Vyplývá jících z praktické. potřeby .přidávání až čtyřnásobného množství .. titanu, . než .je teoreticky . třeba, . nedosáhlý vakuově odplyněné, titanem zpracované oceli přijetí na trhu ve . srovnání s- neuklidněnými a uklidněnými ocelemi k hlubokému . tažení, protaho196442

4 vání, · k použití · pro povlékání a smaltování.

Již dříve uvedl Abrahamson · a· spol. v Transactions Metallurgical Society · of . ΑΙΜΕ, sv. 218,· prosinec 1960, str. 1101 a · ž 1104, že niob a zirkon · podstatně zpomalují rychlost rekrystalizace v · · průběhu · žíhání .materiálu válcovaného za studená · ve srovnání · s jinými přísadovými prvky,· jako je titan a chrom. Tyto poznatky se zakládaly na zkouškách s jednohodinovým žíháním se · zvyšujícími se . teplotami v průběhu každého · žíhání. Z tohoto poznatku nebyly dosud, však -vyvozený žádné praktické zisky · ani přednosti'.

Tento nedostatek odstraňuje nízkouhlíková ocel nepodléhající · stárnutí, bez prodloužení na mezi kluzu, s dobrými povrchovými vlastnostmi a prostá vměstků, ve tvaru za tepla nebo za studená válcovaných pásů netra· plechů, popřípadě pokovených, podle vynálezu, jehož · podstata spočívá v · tom, že · sestává „z.·. 0,002 a , 0,15 % hmotnostního uhlíku, z · 0,025 až 0,30 % hmotnostního niobu, z 0,05 až 0,60% hmotnostního · manganu, ze stopy až 0,035 % hmotnostního síry ve . formě sirníku manganu, ze stopy až 0,010 % hmotnostního kyslíku, ze stopy až 0,012 % · hmotnostního · dusíku, ze · stopy až 0,08 % . -hmotnostního hliníku, ze · stopy až 0,010 % hmotnostního fosforu a ze stopy až · 0,015 % hmotnostního křemíku, přičemž _ zbytek · tvoří Železo · a . při-., čemž alespoň 0,025 % · hmotnostního niobu je v nesloučené · formě, při stanovení množství · · nesloučeného · niobu přítomného ve· stavu válcování za tepla za teploty místnosti.

Výnález se také týká způsobu výroby nízkouhlíkaté oceli, při kterém · se · nataví oqel s _ maximáním obsahem 0,05% hmotnostního. uhlíku, · vakuově · se odplyní na ‘ maximální obsah 'uhlíku 0,015 ·'%, na maximální obsah kyslíku 0,010 %. a · na maximální obsah dusíku 0,012 · %, odléje se 'a · nechá 'se ztuhnout, válcuje · se· zá · · tepla na tloušťku pásu · plechu, navine ·· se' · do „svitků při teplotě nad; 817 ^OC',· který · je vyznačený tím, že se niob přisadí do odplyněné· · oceli · do kokily . · před jejím · ztuhnutím,. · ' ·

Způsobem ·' · podle vynálezu se · získá nízkouhlíkatá '· ocel· nepodléhající stárnutí, · nevykazující · téměř žádné prodloužení na mezi kluzu · a prostá ·' kritického hrubnutí ^rna jak ve· stavu * válcovaném · · za tepla, tak ve stavu válcovaném · za. · studená a žíhaňém, která nemá’· nevýhody · 'dřívějších titanových ocelí a nadto · vykazuje · do · značné míry krystalickou · oriéntaei ·' krychle' · . na· . hranu, a · dobré hodnoty poměrného prodloužení · r · a poměrně jemné zrno, které · je stabilní v širokém rozmezí teplot·'· Kromě · toho · je ' možno tento materiál vyrábět se širokým rozsahem vlastností jak ve stavu válcovaném. za tepla, tak za. studená. Způsob vynálezu zahrnuje způsoby přípravy tavené oceli s '· maximálním obsahem uhlíku · ' asi 0,05 ' % a s dostatečným množstvím- ··· manganu; · aby vázal · téměř veškerou · síru ' · přítomnou v oceli; vakuové ddplynění · oceli · až· na· · obsah · uhlíku · max.

0,015'. %', kyslíku max. asi 0,010 „ % a dusíku max. · asi 0,012 %; přísadu niobu · v množství, které alespoň postačí ke · snížení rekrys-, · talizační .rychlosti · oceli po jejím následném ztuhnutí; odlití · a ztuhnutí odplyněné oceli; válcování oceli za tepla až na tloušťku pásu, dokončovací · ' teplota · asi 815 až· 928 °C a navinutí · do svitků · při teplotě asi 815 °C nebo nižší. Výrobek · pro · válcování zá tepla je vysoce · žádoucí' pro některá použití ve svitcích nebo· v žíhaném stavu. Zpravidla se výrobek po válcování za tepla moří a za · studená se kalibruje na · konečný rozměr, po . čemž následuje konečné žíhání při teplotě a · prodlevě volené podle požadované pevnosti a. tažnosti dokončeného pásku nebo, plechu, ·

Výrobek válcovaný · za tepla může být použit ve svitvích nebo může být podroben ko- * nečnému · žíhání v rozmezí teplot 732 až 928 stupňů Celsia. Výrobek válcovaný· za studená, se zpravidla, žíhá · při · teplotě 538 . až 871 stupňů Celsia. V· každém případě lze žíhání provést buď po · dávkách,· nebo kontinuálně nebo jako vedlejší, ale nutnou operaci pripokovování. ponorem a může · trvat od několíka sekund do asi 16'.' hodin. · K · dosažení ma.. ximálns tvrdosti a pevnosti ve výrobku válcovaném za tepla má být teplota · svitkování v rozmezí asi 505 až 705 °C · a pro výrobek válcovaný za studená má být teplota koneč..· ného. žíhánL v.jOzrnez.í asi ' 53.8 · až 760. °c.· Má-li naopak být dosaženo nejnižší tvrdosti a vysoké tažnosti výrobku, válcovaného za tep- . la, má · být · teplota · svitkování mezi 705 až 815 °C· a teplota · konečného žíhání, výrobku válcovaného za studená má být v rozmezí asi 760 · až 871 °C.

Bylo · zjištěno, · že · niob má neočekávaně lepší vlastnosti · ·' než titan, · · a to jak pro· výrobu, tak · pro' výrobek, z Čstných významných důvodů. ’

Uživatelé například · zjistili, že uvedená, nízká · rekrystalizační rychlost · oceli, obsahující niob a válcované , za studená podle · vynálezu, · umožňuje dosáhnout široký, rozsah mechanických vlastností, dodrží-li · se některá opatření ve výrobě. Rekrystalizace za · studená · válcované struktury oceli podle vynálezu je úplně · odlišná , od jakékoliv jiné nízkouhlíkaté oceli. . ·

Při · · výrobním pochodu · podle · vynálezu je síra, vázána · na mangan a ž toho · důvodu se obsah manganu s výhodou udržuje ve hmotnostním poměru 7:1 vůči · síře. K vázání ' kyslíku. a dusíku je možno přidat, hliník a v tom případě · · je výhodné, aby hmotnostní poměr hliníku ·· ke-kyslíku · byl 1,2:1, zatímco poměr hliníku k dusíku je s - výhodou · 2:1. Poněvadž je · přítomno dostatečné množství · hliníku a · manganu na účinné vázání síry, · kyslíku a · dusíku a protože niob má. menší afinitu ke kyslíku, síře a dusíku než titan za· daných teplot, pak· téměř veškerý · niob přidaný · při ddplynění · a po· přidání' hliníku · je k . dispozici pro ·reakci · s uhlíkem. Výsledkem je větší účinnost ,· a lze . dosáhnout výtěžnosti niobu 75 až 95 %, . . Hliník může být vypuštěn, ' neboť může . být nahrazen jiným nitridotvorným · prvkem, jako je titan. Jestliže se . vypustí nitridotvorný prvek, je dusík . . vázán na niob. Jestliže . se má · provádět žíhání těsných svitků v atmosféře dusíku · — vodíku, je třeba · přidat hlU ník, · protože ocel · přijímá · dusík z . žíhací atmosféry, · který by se vázal na niob, . kdyby · nebyl přítomen dostatečný přebytek .hliníku, čímž by vznikl výrobek, který by měl · v · žíhaném stavu prodloužení na mezi · kluzu, jestliže by došlo k takové nitridaci, že by . v oceli byl · přítomen volný · dusík. · · Má-li se provádět žíhání v otevřených svitcích, · není .nutno toto opatření dodržovat. .

Použitím niobu . místo ‘ titanu . a přísadou dostatečného množství . . hliníku . k vázání . kyslíku a . dusíku . a . .přítomností, dostatečnéhomnožství . manganu ' . k . . vázání .přítomné . síry se získá . materiál . s . povrchovými vlastnostmi lepšími, než mají oceli . s titanem, a nekovové vměstký . se v . podstatě ’ vyloučí při . zpracování podle . . vynálezu, .tím, že.. přejdou do· strusky. Je dobře známo, že oceli s titanem obsahují obtížné. . množství vměstků a mají špatnou jakost . povrchu. ..

Ocel podle vynálezu . má . trvale vyšší· . poměr . trvalého! poměrného .prodloužení . . · než titanové oceli podobně zpracované/ : , ..Bylo zjištěno* že vysoké . poměry. trvalého poměrného' . prodloužení ' se· získají ·. tehdy, jestliže se niob . přidá v množství . větším, než jakého je potřeba k vázání uhlíku . a .volného .dusíku, .tj. když . je .niob ..přítomen v .plošině * válcované. za tepla ve volném stavu· ...

Ocel . podle vynálezu, . litá do kokil nebo kontinuálně může být válcována za tepla běžnými způsoby'na normálním zařízení azajišťuje pří tom nízké provozní náklady a snižuje výdaje za nové- zařízení.

Atomová váha . niobu je 92,91 a teoretický stéchlometrický poměr pro úplnou reakci s uhlíkem o . atomové váze 12,01, přítomným v oceli,. je tudíž asi 7,75 : 1. Titan má. atomovou váhu 47,90 a teoretický stechiometrický poměr titanu k uhlíku je tudíž asi 4 : 1. Bylo zjištěno, že poměr niobu k uhlíku 10 : 1, nebo . s výhodou 12: 1, vytvoří materiál, který ' vůbec nepodléhá stárnutí a nevykazuje žádné prodloužení na mezi kluzu. Poměr niobu ’ k uhlíku 8 : 1 může vytvořit materiál s okrajovou . stabilitou, který . může vykazovat nějaké prodloužení na mezi kluzu za určitých podmínek žíhání. . Ocel vykazující určité prodloužení na mezi kluzu může však být podrobena standardnímu lehkému převálcování za studená, které eliminuje mez kluzu, . a materiál . nebude podléhat stárnutí vzhledem k nízkému obsahu uhlíku. .Jinak . by takový. .materiál· mohl být oduhličen po válcování za studená buď zvláštní operací nebo při konečném rekrystalizačním žíhání, aby se dosáhlo úplné stability. Ocel mající poměr niobu k uhlíku menší než 8:1 je . tudíž považována za materiál v rozsahu tohoto vynálezu, naprofi tomu, . zjišťujeme-li, že ve sku8 tečné praxi se požaduje poměr titanu k uhlíku 6:1 . vzhledem . k jeho slučivosti s ostatními prvky a vzhledem k jeho nízké výtěžnosti přesto, . že . teoretický stechiometrický poměr je 4':1, vyniká výrazná účinnost niobu nad . titanem. ;

Ačkoliv vysoká cena niobu . se bude na . první pohled jevit jako nevýhodné pro jeho použití v nízkouhlíkaté oceli pro aplikace,, . jako je . povlékání, smaltování apod., zjistili užívatelé, . že . použitím niobu se dosáhne . ' snížení . výrobních , nákladů, vypuštění ' některých operací, snížení zmetkovitosti a vyšších . výnosů, což náklady ·· za přísadu ..niobu a vakuové odplynění více než nahradí.

Podle .vynálezu se postupuje následujících způsobem: ocel . ’ se taví v martinské peci, v bazickém kyslíkovém konvertorů . nebo v · e- lektrické peci, přičemž složení tavby má . odpovídat typickému, avšak neomezujícímu složení . tavby určené pro . neuklidněnou nebo uklidněnou hlubokotažnou · . ocel . s 0,02 .. až 0,05 % uhlíku, 0,1 až . 0,35 % ..manganu, 0,01 ,až . 0,020 % síry, . 0,001 až 0,010 % dusíku. v °/o hmotnostních .a: zbytekv podstatě železo. . Tavená . ocel se podrobí oduhličení . vakuovým odplyněním· v . běžném, zařízení, s výhodou . probubláváním . argonem, ^x které .. napomáhá .. .k odstranění nečistot . a zabraňuje vrstevnatému rozložení teploty· S' . výhodou se . . přidává před odplyněním něco hliníku, abý sě zabránilo nadměrnému vývinu plynů. V malých množstvích je možno přidat jiná desoxidační činidla,, jako .například křemík,

Zbytek hliníku . se přidá s· výhodou . během vakuového odplynění, avšak po oduhličení,

Není žádoucí přidávat hliníku více. . než množství potřebné ke sloučení . s dusíkem . a kyslíkem, . protože by .se mohla nepříznivě ovlivnit . . jakost konečného výrobku. Přítomnost nadměrného množství hliníku . .ve výrobku . může bránit odstraňování lámavosti . za tepla, která se . může vyskytnout, ačkoliv lámavosti za tepla se čelí tím, . že se . zajišťuje dostatečné . množství . manganů, . které by v podstatě . úplně vázalo síru přítomnou v ocelí. . Z tohoto důvodu má být zachován poměr manganu k síře . 7 : 1, avšak . vyšší obsah manganu . může být tolerován a neovlivní . nepříznivě konečné vlastnosti. ’ ‘

Niob se přidává . po hliníku s výhodou . v průběhu. odplynění nebo do pánve nebo do formy, jestliže . má být zaručeno jeho správné rozdělení. . ‘

Poměr niobu k uhlíku se volí 12 : 1, aby . se . zaručilo^ úplné a trvalé odstranění uhlíku vytvořením karbidu niobu. Může .. se však používat vyšších poměrů niobu k . odpoření orientace zrn . a k získání . žádaných mechanických vlastností konečného výrobku.

Křemík se s výhodou nepřidává, .. lze však tolerovat .jeho malá množství. Ostatní prvky v normálních zbytkových množstvích . lze .

rovněž tolerovat. .

Odplyněná ocel má mít s výhodou toto chemické složení a složení v . %. hmotnost196442 . 7 nich konečného produktu bude v podstatě také totožné:

uhlík 0,005 až 0,010 % niob 0,08 až 0,12 % mangan 0,10 až 0,35 % síra až do 0,02 % kyslík až do 0,004 % dusík až do 0,006 % hliník . 0,015 až 0,020 % fosfor až do 0,010 % křemík až do 0,015 %

Zbytek je v podstatě železo kromě počátečních nečistot.

Odplyriěná a zpracovaná ocel pak může být odlita do ingotových kokil, anebo může být kontinuálně lita běžnými způsoby.

V případě, že je třeba ocel kontinuálně válcovat, jsou ingoty zeslabeny na tloušťku ploštin, ohřívají se znovu, jestliže je to pqtřeba, válcují se na tloušťku pásu a ňavíjejí se do svitků.

Běžná dokončovací teplota svitku je 815 až 928 °C a není při postupu podlé vynálezu rozhodující. Dokončovací teplota však pod asi 815 °C se projeví vyššími požadavky na výkon a je obtížnější dosáhnout požadované tloušťky. Dokončovací teplota vyšší než 928 stupňů Celsia vyžaduje vyšší rychlosti válcování a ďo dokončovacích stolic se dostane tlustší a teplejší polotovar.

S výhodou se používá rychlého ochlazení na teplotu svinování asi 594 až 705 °C, ačkoliv je možno pracovat s vyššími, anebo nižšími teplotami navíjení do svitků. Všeobecně navíjení při vyšší teplotě, to je do 815 °G způsobuje nižší tvrdost výrobku, zatímco navíjení při nižších teplotách pod 505 stupňů Celsia má za následek tvrdší výrobky. Ochlazení na tak nízké teploty navíjení se na existujících zařízení obtížně dosahuje. V souvislosti s navíjením nebo jako alternativa navíjení při poměrně vysoké teplotě je možno provést kontinuální žíhání ne8 bo žíhání po dávkách pásu vyválcovaněho ža tepla při teplotě do asi 955 °C, čímž se získá za tepla vyválcovaný výrobek s nejnižší tvrdostí a s ňejvyšší tažností.

Navinutý materiál se potom moří a válcuje za studená na konečný, kalibr, bez mezlžíháním, stejně' jako jé tomu v běžné praxi. Redukce pří válcování za studená může činit řádově 60 až 70 %. Redukce za studená vyššího stupně až do 90'% sé projeví vyššími hodnotami trvalého poměrného prodloužení r. .··-·-·,

Za studená vyválcovaný pásek se potom podrobí konečnému žíhání v ochranné atmosféře a toto žíhání může, být kontinuální, anebo pó dávkách.

Je zřejmé, že pás vyválcovaný za tépla nebo ploština může být obchodním polotovarem a jeho vlastnosti závisejí na složení oceli a na teplotě navíjení do svitků, to je na rychlosti ochlazování z dokončovací teploty na teplotu navíjení do svitků a na stupni žíhání, ke kterému do jde v kompaktním svítku při jeho pomalém chladnutí. Na rozdíl od běžných nízkouhlíkatých nebo titanem zpracovaných ocelí může být za tepla vyválcovaný výrobek připraven se širokým spektrem mechanických vlastností od vysoké pevnosti a. tvrdosti přes střední až nízkou pevnost doprovázenou vysokou tažností. Poměr trvalého poměrného prodloužení bude všem většinou 1,0, jako- ц. každé nízkouhlíkaté oceli válcované za teplá.

Způsob podle vynálezu uyažuje kalení za tepla válcovaného materiálu z dokončovací teploty v rozmezí 815 až 928 °C' na teplotu nižší, rychlostí dostatečnou й tomu,· aby způ- > sobila precipitaci karbidů v jemně dispergované formě. Výrobek z oceli podle vynálezu je plně stabilní vlivem přísady niobu a je obzvláště vhodný к hlubokému tažení nebo protahování, smaltování, pokovování a pro jiná použití, při kterých se požaduje dobrá tažnost, nevyskytující še hrubnutí zrna, stárnutí a prodloužení na mezi kluzu..

199442

IQ

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

Claims (3)

1. Nízkouhlíková ocel nepodléhajíc í stárnutí, bez prodloužení na mezi kluzu, s dobrými povrchovými vlastnostmi a prostá vměstků, ve tvaru za · tepla nebo za studená válcovaných pásů nebo plechů, popřípadě pokovených, vyznačená tlm, že sestává z 0,002 až 0,015 % hmotnostního uhlíku, z 0,025 až 0_Л30 % hmotnostního niobu, z 0,05 až 0,60 · % hmotnostního manganu, zé stopy až 0,035 !% hmotnostního síry ve formě sirníku manganu, ze stopy až 0,010 % hmotnostního kyslíku, ze stopy až 0,012 % hmotnostního dusíku, ze stopy až 0,08 °/o hmotnostního hliníku, ze stopy až 0,010 % hmotnostního fosforu a ze stopy až 0,015 % hmotnostního křemíku, zbytek tvoří železo a přičemž alespoň 0,025 · %' hmotnostního niobu je v · nesloučené formě, při stanovení množství nesloučeného niooibu přítomného ve stavu válcování za tepla za teploty místnosti.

2. NízkouhlíkoVá · ocel podle bodu 1, vyzna- čená tím, že všechen uhlík je ve formě karbidu niobu. -

3. Způsob výroby nízkouhlíkové oceli podle bodů 1 a 2, při kterém se nataví ocel s maximálním obsahem 0,05 % hmotnostního uhlíku, vakuově se odplyní na maximální obsah uhlíku 0,015 °/o, na maxijnální obsah kyslíku 0,010 % a na maximální obsah dusíku 0,012 °/o, odleje se a nechá se ztuhnout, válcuje se za tepla na tloušťku pásu a · plechu, havine se do· svitků při · . teplotě nad 817 ^OC·, vyznačený tím, že se niob přisadí do odplyněné oceli do kokily před jejím ztuhnutím.