CS218563B2

CS218563B2 - Process for processing stabilized ferritic, stainless chromium steels

Info

Publication number: CS218563B2
Application number: CS20777A
Authority: CS
Inventors: Sigvard Bergh
Original assignee: Graenges Nyby Ab
Priority date: 1977-01-13
Filing date: 1977-01-13
Publication date: 1983-02-25

Abstract

Vynález se týká způsobu zpracování stabilizovaných, feritických, nerezavějících chromových ocelí pro svařované předměty a řeší problém zachování vysoké vrubové houževnatosti ve svarových oblastech. Podstata řešení spočívá v tom, že z prášku, získaného rozprašováním feritických žáruvzdorných stabilizovaných chromových ocelí v ochranné argonové atmosféře se metodou práškové metalurgie vytvoří polotovar, který se dále aglomeruje a hutní a zpracováním za studená nebo za tepla se tvaruje do požadovaného tvaru.The invention relates to a method of processing stabilized, ferritic, stainless chromium steels for welded objects and solves the problem of maintaining high notch toughness in weld areas. The essence of the solution lies in the fact that a semi-finished product is formed from powder obtained by spraying ferritic heat-resistant stabilized chromium steels in a protective argon atmosphere by the method of powder metallurgy, which is further agglomerated and metallized and shaped into the desired shape by cold or hot processing.

Description

(54) Způsob zpracování stabilizovaných feritických, nerezavějících chromových ocelí(54) Process for processing stabilized ferritic, stainless steel

Vynález se týká způsobu zpracování stabilizovaných, feritických, nerezavějících chromových ocelí pro svařované předměty a řeší problém zachování vysoké vrubové houževnatosti ve svarových oblastech. Podstata řešení spočívá v tom, že z prášku, získaného rozprašováním feritických žáruvzdorných stabilizovaných chromových ocelí v ochranné argonové atmosféře se metodou práškové metalurgie vytvoří polotovar, který se dále aglomeruje a hutní a zpracováním za studená nebo za tepla se tvaruje do požadovaného tvaru.The invention relates to a method of processing stabilized, ferritic, stainless steel for welded articles and solves the problem of maintaining high notch toughness in welded areas. The principle of the solution consists in that from the powder obtained by sputtering of ferritic refractory stabilized chromium steels in a protective argon atmosphere a powder metallurgy method is formed into a semi-finished product, which is further agglomerated and compacted and formed into the desired shape by cold or hot processing.

Vynález se týká způsobu zpracování stabilizovaných feritických nerezavějících chromových ocelí pro svařované předměty.The present invention relates to a method of processing stabilized ferritic stainless steel for welded articles.

Feritické chromové ocele se zejména v průběhu posledních deseti let výrazně přesunuly do středu technického zájmu a staly se předmětem intenzivního výzkumu, který měl za cíl zejména udělit této oceli takové vlastnosti, aby byla použitelná také pro svařované konstrukce. Rozšířením poznatků o základních mechanismech a pochodech ovlivňujících pevnostní vlastnosti, jakož i dalším rozvojem tavně metalurgických procesů, které se používají při výrobě ocele, jsou dány určité předpoklady, že bude možno oceli potřebné vlastnosti udělit a že tyto vlastnosti budou plně vyhovovat potřebám nezbytným pro hotovení svařovaných konstrukcí. V těchto souvislostech je třeba jmenovat zejména takové svařované konstrukce, které přicházejí do styku s horkou vodou. Při využití těchto nových technických poznatků mohou být hotoveny konstrukce, které i v citlivé zóně v blízkosti svarového švu mají přijatelné technické vlastnosti a vysokou odolnost proti rezivění.Especially over the last decade, ferritic chromium steels have moved significantly to the center of technical interest and have been the subject of intensive research aimed, in particular, at giving the steel properties that are also applicable to welded structures. By expanding the knowledge of the basic mechanisms and processes affecting the strength properties, as well as the further development of the melt metallurgical processes used in steel production, certain assumptions are given that the steel can be given the necessary properties and that these properties fully meet the needs necessary for welding structures. In this context, it is necessary to mention, in particular, welded structures which come into contact with hot water. By utilizing this new technical knowledge, structures can be made which, even in the sensitive zone near the weld seam, have acceptable technical properties and high rust resistance.

Stále však se ještě vyskytují určité nedostatky, zejména související se vzrůstem zrna, k němuž dochází ve svarových švech nebo' v jejich blízkosti, které jsou ve větší míře nežádoucí. Výraznější růst zrna zpravidla vede ke zvýšení takzvané teploty přechodu, to znamená takové teploty, při níž se houževnatost ocele katastrofálně zmenšuje, takže ocelová konstrukce i při například pokojové teplotě zkřehne.However, there are still some drawbacks, particularly related to grain growth occurring in or near the weld seams, which are to a greater extent undesirable. Generally, more pronounced grain growth leads to an increase in the so-called transition temperature, i.e. a temperature at which the toughness of the steel decreases catastrophically, so that the steel structure even becomes brittle even at room temperature.

Na základě nových poznatků o mechanismu vyvolávajícím růst zrna byly hledány metody, které by potvrdily předpoklad, že struktura má větší stabilitu při vyšších teplotách, které se vyskytují při svařování a že růst zrna ve feritických ocelích je abnormálně velký.Based on new knowledge about the mechanism causing grain growth, methods have been sought to confirm the assumption that the structure has greater stability at the higher welding temperatures and that grain growth in ferritic steels is abnormally large.

Pohyblivost hranice zrn je závislá na teplotě, což může být vyjádřeno Arrheniovou funkcí. Totéž platí pro difúzi po hranících zrn, s níž pohyblivost zrn souvisí. Oba úkazy mají aktivační energii stejné řádové velikosti. Pohyblivost hranice zrn nebo migrace hranice zrn je odstraněna přítomností rozpustných a nerozpustných částeček v základní hmotě ocele. Aby toto zamezení pohyblivosti nebo migrace hranice zrn bylo účinné, musí být v materiálu přítomno velké množství těchto částeček, které musí být tak rozděleny, že vzdálenost mezi nimi je relativně malá. Jestliže se teplota zvýší, začne časem docházet ke koalescenci rozpustných částeček, to znamená určité částečky rostou na úkor druhých, čímž postupně zamezovací účinek na pohyblivost hranice zrn pomalu zeslábne a nakonec vymizí.The mobility of the grain boundary is temperature dependent, which may be expressed by the Arrhenius function. The same applies to grain boundary diffusion to which grain mobility is related. Both phenomena have activation energy of the same order of magnitude. Grain boundary mobility or grain boundary migration is removed by the presence of soluble and insoluble particles in the steel matrix. In order for this mobility or grain boundary migration prevention to be effective, a large number of these particles must be present in the material and must be so distributed that the distance between them is relatively small. As the temperature rises, the soluble particles coalesce, that is, some particles grow at the expense of others, gradually reducing the grain boundary mobility effect and finally disappearing.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny způsobem zpracování stabilizovaných feritických nerezavějících chromových ocelí pro svařované předměty s vysokou vrubovou houževnatostí ve svarových oblastech, jehož podstata spočívá v tom, že z prášku, získaného rozprašováním feritických žáruvzdorných stabilizovaných chromových ocelí v ochranné argonové atmosféře se metodou práškové metalurgie vytvoří polotovar, který se dále aglomeruje a hutní a zpracováním za studená nebo za tepla se tvaruje do požadovaného tvaru.The above-mentioned drawbacks are eliminated by the method of processing stabilized ferritic stainless chromium steels for welded articles with high notch toughness in welded areas, which consists in that the powder obtained by spraying ferritic refractory stabilized chromium steels in a protective argon atmosphere forms a semi-finished product , which is further agglomerated and compacted and formed into the desired shape by cold or hot processing.

Intenzívní výzkumné práce, které vytvoření vynálezu předcházely, ukázaly, že jemně dispergované vyloučení, například nitridu a karbidu (a karbonitridu) titanu, kterého se dosáhne, jestliže se tavenina prudce ochladí a opět zahřeje, koalesceluje jen velmi pomalu. Svařované konstrukce, které jsou zhotoveny z ocele, zpracované aglomerací a hutněním atomizovaných prášků stabilních feritických nerezavějících materiálů, mají, jak se ukazuje, silně snížený sklon k růstu zrna při zahřívání, to znamená také při svařování. Ukazuje se také, že předměty zhotovené z tohoto materiálu jsou srovnatelné jak s ohledem na jejich korozní vlastnosti, tak také s ohledem na jejich pevnostní vlastnosti s ocelemi, které jsou zhotoveny konvenčním postupem. Odpor proti růstu zrn, který je přitom; zachován, má za následek také vzrůst houževnatosti v blízkosti svarových švů, která nemůže být dosažena u ocelí, které byly vyrobeny konvenčními výrobními postupy. Měřítkem zlepšení houževnatosti oceli je tak zvaná přechodová teplota. Cím je tato teplota nižší, tím nižší je také náchylnost svařované konstrukce ke křehkému lomu. Jak bude patrno z příkladů, které jsou v dalším popisu uvedeny, je plech z ocele, která je zpracována způsobem podle vynálezu na bázi práškové metalurgie, s ohledem na houževnatost mnohem pevnější, než plech z ocele stejného složení, ale vyrobené konvenčním výrobním postupem.Intensive research that preceded the development of the invention has shown that finely dispersed exclusion, for example, of titanium nitride and carbide (and carbonitride), which is achieved when the melt is quenched and heated again, coalesces very slowly. Welded structures, which are made of steel, treated by agglomeration and compaction of atomized powders of stable ferritic stainless materials, have shown to have a strongly reduced tendency to grain growth upon heating, i.e. also during welding. It also appears that articles made of this material are comparable both in terms of their corrosion properties and in terms of their strength properties to steels that are made in a conventional manner. The resistance to grain growth that is present; This also results in an increase in toughness near the weld seams, which cannot be achieved with steels produced by conventional manufacturing processes. The measure of the improvement of steel toughness is the so-called transition temperature. The lower the temperature, the lower the susceptibility of the welded structure to brittle fracture. As will be seen from the examples below, the steel sheet which is treated by the powder metallurgy process according to the invention is much stronger with respect to toughness than a steel sheet of the same composition but produced by a conventional manufacturing process.

Stabilizované feritické chromové ocele, zpracované způsobem podle vynálezu, mají následující chemické složení:The stabilized ferritic chromium steels treated according to the process of the invention have the following chemical composition:

c C max. max. 0,03 % 0,03% Na On max. max. 0,03 % 0,03% Cr Cr max. max. 10 až 30 % 10 to 30% Ni Ni max. max. 5 %, zejména max. 0,5 % 5%, especially max. 0.5% Cu Cu max. max. 3,0 % zejména max. 0,2 % 3.0% especially max. 0.2% Si Si max. max. 1,0 % 1.0% Mn Mn max. max. 2,0 % 2.0% Mo Mo max. max. 0,5 až 4,0 θ/o 0.5 to 4.0 θ / o

jakož i obsah stabilizovaných elementů, které vážou uhlík a dusík, jako je zejména titan, popřípadě zejména niob, tantal, zirkon, hliník aj. buď samotný, nebo spolu s titanem, přičemž obsah odpovídá nejméně stechiometrickým poměrům pro tvoření nitridů a karbidů. Výchozí materiál je pomocí známých postupů z práškové metalurgie zpracován tak, že se aglomerací získá stabilizovaná feritická nerezavějící ocel. Výroba a výrobní postupy zahrnují, jak známo,as well as the content of stabilized carbon and nitrogen-binding elements such as, in particular, titanium, optionally in particular niobium, tantalum, zirconium, aluminum etc., either alone or together with titanium, the content corresponding to at least stoichiometric ratios for nitride and carbide formation. The starting material is processed by known powder metallurgical processes to obtain stabilized ferritic stainless steel by agglomeration. Manufacturing and manufacturing processes include, as is known,

S aglomeraci a hutnění prášku, který obsahuje zrna takových rozměrů a takové hustoty, aby je bylo možno konvenčním způsobem, to znamená zpracováním za tepla a za studená převést na v podstatě hutný a nepórovitý materiál žádaného tvaru.With agglomeration and compaction of a powder which contains grains of a size and density such that they can be converted in a conventional manner, i.e. by hot and cold processing, to a substantially dense and non-porous material of the desired shape.

Vynález bude objasněn pomocí následujícího příkladu, přičemž je třeba připomenout, že řešení podle vynálezu není omezeno pouze na zhotovení svařovaných konstrukcí z materiálu uvedeného složení, ale vztahuje se na všechny stabilizované nerezavějící ocele a feritickou strukturou.The invention will be elucidated by means of the following example, it being noted that the invention is not limited to making welded structures from a material of the above composition, but applies to all stabilized stainless steels and a ferritic structure.

V tomto případě je použita 17% stabilizovaná (na titan] chromomolybdenová ocel pro výměníky tepla.In this case, 17% stabilized (titanium) chromomolybdenum steel is used for heat exchangers.

Prášek se vyrobí atomizováním v argonové atmosféře, přičemž atomizovaná chromomolybdenová ocel má následující složení:The powder is produced by atomizing in an argon atmosphere, wherein the atomized chromomolybdenum steel has the following composition:

C 0,03 %C 0,03%

Cr 17 %Cr 17%

Mo 2,4 %Mo 2,4%

Ti 0,6 %Ti 0,6%

N 0,03 %N 0,03%

O 0,02 %0.02%

Prášek se plní za současné vibrace do pouzdra, které se po svaření stlačuje za studená rovnoměrně tlakem 400 MPa. Pouzdro se potom zahřeje po dobu 20 minut na 1100 stupňů Celsia a protlačuje se na tyč o průměru 15 mm, načež se válcuje na plech o tloušťce 5 mm. Zbytek pouzdra se odstraní mořením.The powder is filled under vibration into a sleeve which, after welding, is compressed cold evenly at a pressure of 400 MPa. The sleeve is then heated for 20 minutes to 1100 degrees Celsius and extruded onto a 15 mm diameter rod, then rolled onto a 5 mm thick sheet. The remainder of the housing is removed by pickling.

Po rekrystalizaci při teplotě 900 °C a po 10 minutách odpovídá velikost zrn materiálu 11 až 16 μη. Materiál je tedy jemnozrnný.After recrystallization at 900 ° C and after 10 minutes, the grain size of the material corresponds to 11-16 μη. The material is therefore fine-grained.

Materiál se stejným složením, avšak vyrobený konvenčním výrobním postupem ve formě plechu válcovaného za studená má velikost zrn kolem 30 až 60 μη.A material of the same composition but produced by a conventional cold-rolled sheet has a grain size of about 30 to 60 μη.

Aby se zjistil sklon materiálu k růstu zrn, provede se žíhání při teplotách 1100 °C, 1200 stupňů Celsia a 1300 °C po dobu 2,5 a 30 minut. Při teplotách 1100 °C a 1200 °C nebyly u ocele zpracované podle vynálezu zjištěny žádné rozdíly v růstu zrn oproti původnímu stavu. Po dvou minutách při teplotě 1300 °C byl zjištěn růst zrn na 16 až 22 ^m (jednotlivá zrna měla dokonce 60 μη) a při extrémním tepelném zpracování při teplotě 1300 °C po dobu 30 minut vzrostla zrna na povrchu pouze na 16 až 30 μΐη, ale uprostřed byla nalezena hrubší zrna.Annealing is carried out at temperatures of 1100 ° C, 1200 ° C and 1300 ° C for 2.5 and 30 minutes to determine the tendency of the material to grow. At the temperatures of 1100 ° C and 1200 ° C, no differences in grain growth from the original state were found in the steel treated according to the invention. After two minutes at 1300 ° C, grain growth was found to 16 to 22 µm (individual grains even had 60 µη), and under extreme heat treatment at 1300 ° C for 30 minutes, grains on the surface grew to only 16 to 30 µΐη , but coarser grains were found in the middle.

Podobné zkoumání materiálu vyrobeného konvenčním postupem však přineslo po dvou minutách zahřívání na 1100 °C vzrůst zrn na 125 /íiu, po dvou minutách při 1200 °C na 200 μπι a při 1300 °C na 300 až 500 μπι.However, a similar examination of the material produced by the conventional procedure yielded a grain growth of 125 µl after two minutes of heating to 1100 ° C, two minutes at 1200 ° C to 200 µπ and at 1300 ° C to 300 to 500 µπ.

Jak vyplývá z uvedených výsledků, má také ocel zpracovaná postupem podle vynálezu z prášku zvláště vysokou odolnost proti růstu zrn.As can be seen from the above results, the powder-treated steel of the present invention also has a particularly high grain growth resistance.

Je výhodné, aby se množství částic na hranici zrn udržovalo na nízké úrovni, která je dosažena vynálezem. Částečky vyloučené v oceli leží hlavně v zrnech. Od určité hmotnosti přitom platí, že velikost částic na hranicích zrn nepřekračuje kritický rozměr. V blízkosti velkých částeček se totiž tvoří póry, které působí jako trhlinkové vruby a mají za následek snížení vrubové houževnatosti. Nižší obsah uhlíku a dusíku stejně jako při výrobě prášku použitá kritická rychlost ochlazování má za následek vyloučení částeček v jemně dispergované formě, což odpovídá uvedeným požadavkům na kritickou velikost částeček.It is preferred that the amount of particles at the grain boundary be kept at a low level which is achieved by the invention. The particles deposited in the steel lie mainly in the grains. From a certain weight, the particle size at the grain boundaries does not exceed a critical dimension. In fact, pores form near the large particles, which act as crack notches and result in a decrease in notch toughness. The lower carbon and nitrogen content, as well as the critical cooling rate used in powder manufacture, results in the elimination of particles in finely dispersed form, which corresponds to the stated critical particle size requirements.

Použití svařovaných předmětů, které jsou zhotoveny podle vynálezu, je tedy spojeno s využitím nejvyšší možné houževnatosti materiálu, jestliže je materiál zhotoven cestou práškové metalurgie. Při svařování a při teplotních poměrech vyvolaných svařováním nemůže dojít k markantnějšímu zvětšení zrn. Tato skutečnost výrazně ovlivňuje průmyslovou použitelnost a tím i vysokou hospodárnost předmětu vynálezu ve srovnání se svařovanými předměty vyrobenými konvenčními postupy.The use of welded articles made according to the invention is therefore associated with the highest possible toughness of the material when the material is made by powder metallurgy. During the welding and at the temperature conditions induced by the welding, there can be no noticeable grain enlargement. This significantly affects the industrial applicability and hence the high economy of the subject invention compared to the welded articles produced by conventional processes.

Měřítkem kvality ocele s ohledem na houževnatost je zpravidla takzvaná přechodová teplota. Při této teplotě dochází k přechodu houževnatosti z hodnot, které jsou na vysoké úrovni na hodnoty s nízkou úrovní. Často se tato přechodová teplota také označuje jako teplota, při níž činí vrubová houževnatost 34 J/cm².The measure of steel quality with respect to toughness is usually the so-called transition temperature. At this temperature, the toughness is transferred from the high level to the low level. Often this transition temperature is also referred to as the temperature at which the notch toughness is 34 J / cm ² .

Přechodová teplota stabilizované feritické chromové ocele, která byla vyrobena konvenčním postupem, je ovlivněna tepelným zpracováním, tloušťkou zkušební tyče a velikostí zrn.The transition temperature of stabilized ferritic chromium steel, which was produced by a conventional process, is influenced by heat treatment, test rod thickness, and grain size.

Při velkých dimenzích se přechodová teplota ocele pohybuje mezi 50° a 100 °C. Po tepelném zpracování při teplotě 1300 °C nebo při svařování, popřípadě po svařování se přechodová teplota zvyšuje o 25 až 50 °C, to znamená na 75 až 150 °C. Svařované konstrukce, které jsou hotoveny z takové oceli, jsou proto při všech teplotách nižších než uvedené hodnoty křehké, je proto nebezpečné je používat zejména při teplotách, které představují největší část teplot vyskytujících se v praktickém použití.In large dimensions, the steel transition temperature is between 50 ° and 100 ° C. After heat treatment at 1300 ° C or during or after welding, the transition temperature is increased by 25 to 50 ° C, i.e. to 75 to 150 ° C. Welded structures made of such steel are therefore brittle at all temperatures below these values and are therefore particularly dangerous to use at temperatures which represent the largest part of the temperatures encountered in practical use.

Přechodové teploty u ocelí zpracovaných způsobem podle vynálezu jsou naproti tomu již od počátku výrazně nižší než přechodové teploty u konvenčně vyráběných ocelí.On the other hand, the transition temperatures of steels treated according to the invention are from the outset significantly lower than the transition temperatures of conventionally produced steels.

To vychází také s potřebnou přesností z diagramů znázorněných na obr. 1 a 2, které obsahují porovnatelné křivky přechodových teplot, označené pro ocele zpracované podle vynálezu jako 1 a pro ocele zhotovené konvenčním postupem jako 2. Přechodové teploty znázorněné v diagramech na obr. 1 a 2 byly zjištěny na plechu 6,5 mm tlustém.This is also based on the accuracy shown in the diagrams shown in Figures 1 and 2, which include comparable transition temperature curves designated for steels treated according to the invention as 1 and for steels produced by the conventional process as 2. The transition temperatures shown in the diagrams in Figures 1 and 2; 2 were found on a 6.5 mm thick sheet.

Křivky na obr. 1 odpovídají materiálu, který byl podroben rekrystalizačnímu žíhání při teplotě 850 °C po dobu 15 minut a ochlazen vodou.The curves in FIG. 1 correspond to a material that was recrystallized annealed at 850 ° C for 15 minutes and cooled with water.

Přechodové teploty pro ocele vyrobené podle vynálezu se pohybují mezi —20 °C o 0°C, zatímco u ocele vyrobené konvenčním postupem je přechodová teplota o 40 ^CC vyšší, to znamená pohybuje se mezi +20 a +40 °C.The transition temperatures for steels produced according to the invention are between -20 ° C and 0 ° C, while for steels produced by the conventional process, the transition temperature is 40 ^° C higher, i.e. between +20 and +40 ° C.

Na obr. 2 jsou srovnávány stejné druhy ocele, ale po tepelném zpracování při 1300 stupňů Celsia po dobu 5 minut. Přes tuto vysokou teplotu, působící na ocel poměrně dlouhou dobu, má ocel zpracovaná podle vynálezu stále ještě přechodovou teplotu nižší, než je pokojová teplota a hodnoty se pohybují od —10 °C do +10 °C. Ocel vyrobená konvenčním postupem má naproti tomu přechodovou teplotu o 60 °C vyšší, takže leží mezi +50 °C a +70 °CFigure 2 compares the same steels but after heat treatment at 1300 degrees Celsius for 5 minutes. Despite this high temperature, acting on the steel for a relatively long time, the steel treated according to the invention still has a transition temperature below room temperature and the values range from -10 ° C to +10 ° C. On the other hand, steel produced by the conventional process has a transition temperature of 60 ° C higher, so that it lies between +50 ° C and +70 ° C

Pro odborníky a zejména pro výrobce svařovaných konstrukcí z feritických chromových ocelí představuje vynález výrazný pokrok a přináší průmyslovou upotřebitelnost materiálu, kterého dříve nebylo možno používat, zejména pro výrobu svařovaných předmětů.For experts, and in particular for welded ferritic chromium steel constructions, the invention represents a significant advance and brings the industrial usability of a material that could not be used before, especially for the production of welded articles.

Claims

SUBJECT

Process for the treatment of stabilized, ferritic, stainless chromium steels for welded articles with high notch toughness in weld regions, characterized in that a powder obtained by spraying ferritic refractory stabi- lized chromium steels in a protective argon atmosphere is formed into a semi-finished product by powder metallurgy. and metallurgical and cold or hot processed to the desired shape.