CZ293691B6

CZ293691B6 - Způsob výroby výkovků z oceli

Info

Publication number: CZ293691B6
Application number: CZ1997378A
Authority: CZ
Inventors: Daniel Robat; Jacques Bellus; Pierre Jolly; Claude Pichard; Vincent Jacot; Christian Tomme
Original assignee: Ascometal Immeuble "La Pacific"
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 2004-07-14
Also published as: NO970548D0; HU9700269D0; ES2217374T3; CA2196029A1; KR970062058A; US5820706A; SI9700025B; DE69728076D1; DE69728076T2; HUP9700269A2; PL182920B1; FR2744733B1; CZ37897A3; JP3915043B2; JPH09209086A; EP0787812A1; BR9700917A; PL318366A1; MX9700924A; FR2744733A1

Abstract

Způsob výroby výkovků z oceli s následujícím hmotnostním obsahem jednotlivých prvků 0,10 %.<=.C.<=.0,40 %, 1,00 %.<=.Mn.<=.1,80 %, 0,15 %.<=.Si.<=.1,70 %, 0,00 %.<=.Ni.<=.1,00 %, 0,00 %.<=.Cr.<=.1,20 %, 0,00 %.<=.Mo.<=.0,30 %, 0,00 %.<=.V.<=.0,30 %, Cu.<=.0,35 %, s případnými následujícími přísadami od 0,005 % do 0,060 % hliníku, od 0,0005 % do 0,010 % boru, od 0,005 % do 0,30 % titanu, od 0,005 % do 0,060 % niobu, od 0,005 % do 0,100 % síry, do 0,006 % vápníku, do 0,030 % teluru, do 0,050 % selenu, do 0,050 % bizmutu, do 0,100 % olova zbytek je železo a nečistoty vzniklé při tavení, se provádí tak, že se výkovek, získaný kováním za tepla z ingotu, podrobí tepelnému zpracování, které obsahuje chlazení z teploty, při které je ocel zcela austenitická, na teplotu T.sub.m.n. ležící mezi M.sub.s.n.+100 .degree.C a M.sub.s.n.-20 .degree.C, kde M.sub.s.n. je teplota začátku martenzitické přeměny oceli, s rychlostí ochlazování V.sub.r.n. větší než 0,5 .degree.C/s, následuje výdrž výkovku na teplotě mezi T.sub.m.n. a teplotou T.sub.f.n. větší nebo rovnou T.sub.m.n.-100 .degree.C po dobu alespoň 2 minut, až do získání struktury obsahující alespoň 15 % dolního bainitu, tvořeného mezi T.sub.m.n. a T.sub.f.n. a méně než 20 % perlitu.ŕ

Description

Způsob výroby výkovků z oceli

Oblast techniky

Vynález se týká výroby vysoce kvalitních ocelových výkovků.

Dosavadní stav techniky

Výkovky z vysoce kvalitní oceli, zejména výkovky s vhodnými vlastnostmi pro automobily, se vyrábí mnoha způsoby, které mají vždy nějaké nedostatky.

Podle prvního způsobu se výkovky zhotovují z polotovarů na bázi chrom-molybdenové oceli, jejíž chemické složení má následující hmotnostní obsah jednotlivých prvků od 0,25 % do 0,45 % uhlíku, přibližně 1 % chrómu a přibližně 0,25 % molybdenu. Polotovary se kovou a pak se zakalí při iychlém ochlazení a žíhají pro získání vyžíhané martenzitické struktury a dále zejména pro dosažení meze pevnosti v tahu R_m okolo 1000 MPa. Tento způsob má nedostatky spočívající ve vysoké ceně a občasné tvorbě geometrických deformací výkovků.

Podle dalšího způsobu se výkovky zhotovují z oceli s obsahem od 0,3 % do 0,4 % uhlíku, od 1 % do 1,7 % manganu, od 0,25 % do 1 % křemíku a do 0,1 % vanadu. Po kování se výkovky pomalu ochlazují pro získání feritto-perlitické struktury. Ačkoli je tento způsob levnější než předchozí způsob, má řadu nedostatků:

- nelze získat mez pevnosti v tahu Rm větší než 1000 MPa,

- poměr meze kluzu k mezi pevnosti v tahu R^/Rm je menší než 0,75, což omezuje možnost odlehčení výkovků, pokud jsou dimenzovány zejména s ohledem na mez kluzu,

- teplota přechodu při houževnatosti při lomu je větší než 50 °C, což vede k nízké vrubové houževnatosti,

- v některých případech je nutné opatřit výrobní zařízení dalšími chladicími tunely pro získání potřebného ochlazování po kování.

Výkovky mohou být rovněž zhotoveny z oceli s menším obsahem uhlíku než v předchozích příkladech a jsou kaleny ve vodě, dokud jsou ještě ohřátý z kování, pro získání bainitické nebo bainiticko-martenzitické struktuiy. Tento způsob umožňuje získání meze pevnosti v tahu Rm větší než 1000 MPa a meze kluzu Rp0,2 větší než 800 MPa, ale má nevýhody spočívající v kalení ve vodě, které někdy způsobují geometrické deformace, které vyžadují další opracování nebo mohou vést k opětovnému přetavení.

Dále jsou některé výkovky zhotovovány z oceli s obsahem uhlíku mezi 0,3 % až 0,4 % a obsahem manganu mezi 1,9 % až 2,5 %. Tyto výkovky se po kování ochladí na vzduchu pro získání bainitické struktury, která má vysoké mechanické vlastnosti. Avšak tyto výkovky často obsahují náhodné segregáty mající martenzitickou strukturu, které způsobují problémy při obrábění.

Podstata vynálezu

Podstatou tohoto vynálezu je způsob výroby velmi kvalitních výkovků zocelí, které odstraňují výše uvedené nevýhody.

-1 CZ 293691 B6

Za tímto účelem je podstatou vynálezu způsob výroby výkovků z oceli, jejíž chemické složení má následující hmotnostní obsah jednotlivých prvků:

0,10% <	c	<	0,40 %
1,00% <	Mn	<	1,80%
0,15% <	Si	<	1,70%
0,00 % <	Ni	<	1,00%
0,00 % <	Cr	<	1,20%
0,00 % <	Mo	<	0,30 %
0,00 % <	V	<	0,30 %
	Cu	<	0,35 %

s případnými následujícími přísadami:

- od 0,005 % do 0,06 % hliníku,

- od 0,0005 % do 0,01 % boru,

- od 0,005 % do 0,03 % titanu,

- od 0,005 % do 0,06 % niobu,

- od 0,005 % do 0,1 % síry, do 0,006 % vápníku, do 0,03 % telluru, do 0,05 % selenu, do 0,05 % bizmutu, do 0,1 % olova, zbytek je železo a nečistoty vzniklé při tavení.

Obsah uhlíku je s výhodou 0,10 % až 0,3 %, rovněž obsah manganu je s výhodou 1,00 % až 1,6%. V závislosti na potřebách využití může být obsah křemíku s výhodou buď v rozsahu 0,15 % až 0,8 % nebo v rozsahu 1,2 % až 1,7 %.

Vynález se týká způsobu výroby výkovků pří kterém se vezme ingot vyrobený z oceli podle uvedeného složení a podrobí se kování za tepla pro získání výkovku, výkovek se podrobí tepelnému zpracování, které obsahuje ochlazování z teploty, při které má ocel zcela austenitickou strukturu, na teplotu T_m, ležící mezi M_s+100 °C a M_s-20 °C, s rychlostí ochlazování V_r větší než 0,5 °C/s s následným udržováním výkovku na teplotu mezi T_m a Tf, kde Tf > T_m-100 °C, a s výhodou T_f > T_m-60 °C, po dobu alespoň dvou minut tak, aby se získala struktura obsahující alespoň 15 % a s výhodou 30 % bainitu, vytvořeného mezi T_m a Tf.

Rychlost ochlazování V_r je s výhodou větší než 2 °C/s.

Po tepelné výdrži mezi T_m a Tf může být výkovek ochlazen na pokojovou teplotu, popřípadě žíhán při teplotě mezi 150 °C a 650 °C.

Po tepelné výdrži mezi T_m a Tf může být výkovek opět ohřát na teplotu menší než 650 °C a poté ochlazen na pokojovou teplotu.

Tepelné zpracování lze provést buď po ohřátí výkovku na teplotu vyšší než AC₃, nebo ihned po kování.

Příklady provedení vynálezu

Vynález bude nyní popsán podrobněji ale neomezujícím způsobem a objasněn pomocí následujících příkladů.

Chemické složení oceli podle tohoto vynálezu má následující hmotnostní obsah jednotlivých prvků:

-2CZ 293691 B6

- více než 0,1 % a s výhodou více než 0,15 % uhlíku pro získání dostatečné tvrdosti, ale méně než 0,4 % a s výhodou méně než 0,3 % pro hodnotu meze pevnosti Kn do 1200 MPa;

- více než 1 % manganu pro získání dostatečné prokalitelnosti, ale méně než 1,8% a s výhodou méně než 1,6 % pro vyhnutí se tvorby vměstků;

- více než 0,15 % křemíku pro získání tvrzeného feritu a případně pro podporu vytváření zbytkového austenitu, který zvyšuje mez únavy materiálu, ale méně než 1,7 %; protože nad touto hranicí křemík způsobuje křehkost oceli; mezi 0,15 % a 0,8 % křemík vytvrzuje ferit bez zvýšení tvorby zbytkového austenitu; mezi 1,2 % a 1,7 % křemík zvyšuje tvorbu zbytkového austenitu dostačujícího pro zvýšení meze únavy materiálu; v závislosti na použití se může obsah křemíku měnit v oblasti jednoho nebo dalších uvedených rozsahů;

- od 0 % do 1 % niklu, od 0 % do 1,2 % chrómu a od 0 % do 0,3 % molybdenu pro další zvýšení prokalitelnosti;

- případně titan o obsahu ležícím v rozsahu mezi 0,005 % a 0,03 %;

- případně niob o obsahu ležícím v rozsahu mezi 0,005 % a 0,06 %;

- případně bor o obsahu ležícím v rozsahu mezi 0,0005 % a 0,01 % pro nahrazení účinků předchozích přísad s ohledem na prokalitelnost; v tomto případě je výhodné když ocel obsahující titan má zvýšen účinek pomocí boru;

- mezi 0 % a 0,3 % vanadu pro následné získání dodatečného vytvrzení a zvýšení prokalitelnosti;

- méně než 0,35 % mědi, zbytkové množství je často přítomné v oceli tavené z kovového odpadu, ale pokud je její množství příliš zvýšeno, má nežádoucí účinky projevující se zhoršením kujnosti;

- případně od 0,005 % do 0,06 % hliníku pro redukci oceli a řízení velikosti austenitického zrna, zejména pokud je obsah křemíku menší než 0,5 %;

- případně od 0,005 % do 0,1 % síry, případně do 0,007 % vápníku, případně do 0,03 % telluru, případně do 0,05 % selenu, případně do 0,05 % bizmutu a případně do 0,1 % olova pro zlepšení obrobitelnosti;

zbytek je železo a nečistoty vzniklé při tavení.

Dále se k výrobě výkovku vezme ingot vyrobený z oceli podle tohoto vynálezu a kove se za tepla po jeho ohřátí na teplotu vyšší než je teplota AC₃, s výhodou vyšší než 1150 °C, a ještě lépe mezi 1200 °C a 1280 °C tak, aby v něm byla dosažena struktura zbytkového austenitu a dostatečně nízké deformační napětí. Po kování se výkovek podrobí tepelnému zpracování, které může být provedeno buďto ihned, dokud je výkovek ohřátý z kování, nebo po ochlazení výkovku a jeho opětovném zahřátí nad teplotu AC₃ oceli.

Tepelné zpracování sestává z ochlazení rychlostí ochlazování V_r, měřenou při průchodu přes teplotu 700 °C, větší než 0,5 °C/s a s výhodou větší než 2 °C/s na teplotu T_m ležící mezi M_s+100 °C a M_s-20 °C, M_s je teplota počátku martenzitické přeměny oceli. Po tomto ochlazování následuje tepelná výdrž po dobu delší než 2 minuty mezi teplotou T_m a teplotou Tf > T_m100°C a s výhodou T_f > T_m-60°C. Po tepelné výdrži následuje buď ochlazení na pokojovou teplotu, případně dodatečné žíhání mezi teplotami 150 °C a 650 °C, nebo opětovný ohřev na teplotu nižší nebo rovnou 650 °C před ochlazením na pokojovou teplotu.

-3CZ 293691 B6

Tímto tepelným zpracováním je dosaženo ve výkovku v podstatě bainitické struktury obsahující méně než 20 % feritu a alespoň 15 %, s výhodou alespoň 30 %, dolního bainitu, tvořeného mezi

T_m a Tf. Toto může být provedeno na celém výkovku nebo na části mající zvláštní funkci.

Podmínky tepelné výdrže (T_m, Tf, trvání), zrovna tak jako podíl každé struktury, a zejména podíl dolního bainitu, mohou být určeny způsobem známým odborníkům v oboru dilatometrickým měřením na zkušebním vzorku.

Takto získané výkovky mají výhodnou hodnotu meze kluzu R_m mezi 950 MPa a 1150 MPa, mez to pevnosti v tahu Rpo,2 větší než 750 MPa, Mesnagerovu vrubovou houževnatost K větší než

J/cm² při 20 °C, opracovatelnost alespoň srovnatelnou s výkovky s feriticko-perlitickou strukturou a dobrou mez únavy materiálu: σο/Rm > 0,5 při počtu cyklů 2 x 10⁶.

V prvním příkladu byla vyrobena hřídel zocelí s následujícím chemickým složením v %hmotn.:

c	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	V	AI	B	Ti	Nb
0,25	0,5	1,67	0,09	0,52	-	0,199	0,2	0,03	-	0,02	-

Tato ocel dále obsahovala 0,065 % síry pro zlepšení obrobitelnosti. Její teplota M_s byla 380 °C.

Obrobek byl kován za tepla mezi 1280 °C a 1050 °C. Ihned po kování se výkovek ochladil 20 proudícím vzduchem rychlostí 2,6 °C/s na teplotu 425 °C a poté se udržoval na teplotě mezi

425 °C a 400 °C po dobu 10 minut; nakonec se výkovek ochladil na pokojovou teplotu na volném vzduchu.

Takto získaný výkovek obsahoval ve své struktuře alespoň 80 % bainitu. Jeho vlastnosti byly 25 následující:

R_m =1100 MPa

Rpo,₂ = 870 MPa

A% = 10%

Z =60 % kde

A% je prodloužení při přetržení

Z je zmenšení průřezu (zúžení) při přetržení

Ve druhém příkladu byl vyroben čep nápravy z oceli s následujícím chemickým složením v % hmotn.:

C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	V	AI	B	Ti	Nb
0,25	0,5	1,63	0,006	0,51	0,09	0,196	0,107	0,038	0,003	0,023	-

Tato ocel dále obsahovala 0,05 % síry pro zlepšení obrobitelnosti. Její teplota M_s byla 385 °C.

Obrobek byl kován za tepla mezi 1270 °C a 1040 °C. Ihned po kování se výkovek ochladil proudícím vzduchem rychlostí 2,6 °C/s na teplotu 400 °C a poté se udržoval na teplotě mezi 45 400 °C a 380 °C po dobu 10 minut; výkovek se pak ohřál na teplotu 550 °C na dobu 1 hodiny a pak ochladil na pokojovou teplotu na volném vzduchu.

Takto získaný výkovek obsahoval ve své struktuře alespoň 80 % bainitu. Jeho vlastnosti byly následující:

-4CZ 293691 B6

R_m = 967 MPa

R_Po,2 - 822 MPa

A°/o = 12 %

Z =60 %

Ve třetím příkladu byl vyroben kulový kloub z oceli s následujícím chemickým složením v % hmotn.:

c	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	V	Al	B	Ti	Nb
0,28	0,79	1,63	0,05	0,5	0,09	0,19	-	0,04	0,0033	0,023	-

Tato ocel dále obsahovala 0,06 % síry pro zlepšení obrobitelnosti. Její teplota M_s byla 350 °C.

Obrobek byl kován za tepla mezi 1270 °C a 1060 °C. Ihned po kování se výkovek ochladil vzduchem rychlostí 1,19 °C/s na teplotu 380 °C a pak se udržoval na teplotě mezi 380 °C a360°C po dobu 10 minut; nakonec se výkovek ochladil na pokojovou teplotu na volném vzduchu.

R_m =1170 MPa

Rpo,2 = 947 MPa

A% = 8 %

Z =50 %

Takto zhotovené výkovky mohou být zejména výkovky pro automobily jako jsou závěsy kol, hnací hřídele a spojovací tyče, ale rovněž se může jednat o hřídele, vačky nebo další výkovky pro různé stroje.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby výkovků z oceli, vyznačující se tím, že se vyrobí ingot z oceli, jejíž chemické složení má následující hmotnostní obsah jednotlivých prvků:

0,10% < C < 0,40%

1,00% < Mn < 1,80% 0,15% < Si < 1,70% 0,00 % < Ni < 1,00% 0,00 % < Cr < 1,20% 0,00 % < Mo < 0,30 % 0,00 % < V < 0,30 % Cu < 0,35 %

s případnými následujícími přísadami:

- od 0,005 % do 0,06 % hliníku,

- od 0,0005 % do 0,01 % boru,

- od 0,005 % do 0,03 % titanu,

- od 0,005 % do 0,06 % niobu,

-5CZ 293691 B6

- od 0,005 % do 0,1 % síry, do 0,006 % vápníku, do 0,03 % telluru, do 0,05 % selenu, do 0,05 % bizmutu, do 0,1 % olova, zbytek je železo a nečistoty vzniklé při tavení;

- ingot se kove za tepla pro získání výkovku,

5 - výkovek se podrobí tepelnému zpracování, které obsahuje chlazení z teploty, při které je ocel zcela austenitická, na teplotu T_m, ležící mezi M_s+100 °C a M_s-20 °C, kde M_s je teplota začátku martenzitické přeměny oceli, s rychlostí ochlazování V_r vyšší než 0,5 °C/s, následuje výdrž výkovku na teplotě mezi T_m a teplotou Tf větší nebo rovnou T_m-100 °C po dobu alespoň 2 minut, až do získání struktury obsahující alespoň 15 % dolního bainitu, tvořeného mezi T_m a Tf 10 a méně než 20 % perlitu,
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že ocel obsahuje 0,10 % až 0,
3 % uhlíku.

15 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, v y z n a č u j í c í se tím, že ocel obsahuje 1,00 % až

1.6 % manganu.
4. Způsob podle nároku 1, 2 nebo 3, vy z n a č uj í c í se tím, že ocel obsahuje 0,15 % až 0,8 % křemíku.
5. Způsob podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že ocel obsahuje 1,2 % až

1.7 % křemíku.
6. Způsob podle kteréhokoli z nároků laž5, vyznačující se tím, že tepelná výdrž 25 je zvolena tak, že struktura obsahuje alespoň 30 % dolního bainitu, tvořeného mezi T_m a T_f.
7. Způsob podle kteréhokoli z nároků laž6, vyznačující se tím, že teplota Tf je větší nebo rovna T_m-60 °C.

30
8. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že rychlost ochlazování V_r je větší než 2 °C/s.
9. Způsob podle kteréhokoli z nároků laž8, vyznačující se tím, že po tepelné výdrži mezi T_m a T_f se výkovek ochladí na pokojovou teplotu.
10. Způsob podle nároku 9, v y z n a č u j í c í se tím, že tepelné zpracování dále obsahuje žíhání mezi 150 °C a 650 °C.
11. Způsob podle kteréhokoli z nároků laž8, vyznačující se tím, že po tepelné 40 výdrži mezi T_m a Tf se výkovek znovu ohřeje na teplotu nižší než 650 °C a poté ochladí na pokojovou teplotu.
12. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že tepelné zpracování se provádí po ohřátí výkovku na teplotu vyšší než ACj.
13. Způsob podle kteréhokoli z nároků lažll, vyznačující se tím, že tepelné zpracování se provádí ihned po kování.