FI108413B - Puristusliitetty komposiittimateriaali - Google Patents

Description

108413

Puristusliitetty komposiittimateriaali - Pressbundet kompositmaterial

Esillä oleva keksintö kohdistuu sekä komposiittimateriaaliin että menetel-5 mään komposiittimateriaalin valmistamiseksi. Yksityiskohtaisemmin keksintö kohdistuu sekä puristusliitettyyn (pressure-bonded) ruostumattoman teräksen ja hiiliteräksen komposiittimateriaaliin että menetelmään komposiittimateriaalin valmistamiseksi.

1 o Puristusliitettyjä yksilöllisten teräskerrosten komposiitteja käytetään erilaisissa sovellutuksissa. Kuten mainittu US-patentissa n:o 3,693,242, joka sisällytetään tähän viittauksella, komposiitti, joka käsittää seostamatonta hiiliterästä olevan ydinkerroksen, joka sisältää karbidinmuodostajaa, ja ruostumatonta terästä olevat ulommat kerrokset, käytetään tiettyjen metal-15 lituotteiden valmistamisessa, kuten esimerkiksi keittovälineet. Asiaan liittyviä US-patentteja ovat n:ot 3,795,971, 3,862,484, 3,944,396 ja 3,956,809, jotka patentit sisällytetään tähän viittauksella. Komposiitin ruostumatonta terästä olevat pintakerrokset ovat korroosionkestäviä ja antavat houkutelevan ulkonäön, kun taas seostamatonta hiiliterästä ole-20 valla ydinkerroksella on suhteellisesti suuremmat lämmönjohto-ominai-suudet kuin ruostumattoman teräksen kerroksilla. Eräs spesifioitu esimerkki tämän tyyppisestä komposiittimateriaalista on A.I.S.I. tyyppi 304DA ("T-304DA"), jossa on perinteinen matalahiilistä terästä oleva ydinmateriaali ja pintakerrokset A.I.S.I. tyypin 304 ruostumatonta terästä * 25 ("T-304"). Kuumakäsiteltäessä perinteisestä T-304DA-terästä vakiokäy- täntö on jäähdyttää kuumavalssattu nauha alle 900°F (482°C) kuumalla rullapöydällä ennen kelausta. Kuumavalssatun nauhan jäähdyttämisen epäonnistuminen täten alle 900°F (482°C) aiheuttaa hiilen kulkeutumisen matalahiiliteräksisestä ydinmateriaalista rajapinta-alueeseen ruostumatto-30 mien teräspintakerrosten ja matalahiilisen teräsytimen välissä. Tämä 2 108413 hiilen kulkeutuminen tapahtuu vasten hiilen konsentraatiogradienttia ja se on riippuvainen pääasiallisesti alemman kokonaisvapaan energian saavuttamisesta. Sellainen kulkeutuminen vasten konsentraatiogradienttia tapahtuu toistuvasti seostamattomasta hiiliteräksestä ruostumattomaan 5 teräkseen, koska ruostumaton teräs sisältää kromia, mikä vetää puoleensa hiiltä.

Kulkeuduttuaan rajapinta-alueeseen, hiili muodostaa karbideja ja tämän vuoksi johtaa karbidirikasteisiin alueisiin lähellä rajapinta-aluetta. Nämä 10 karbidirikasteiset alueet aiheuttavat ns. "käyristyssäröjä" (Hook Cracks) vedettäessä, epämieluisa vika lopputuotteessa. Lisäksi hiilen kulkeutuminen johtaa karkean ferriittiraekerroksen muodostumiseen matalahiiliseen ydinmateriaaliin, joka aiheuttaa "appelsiinipintana" tunnetun vian lopputuotteeseen. Lisäksi, mikäli jäähdyttäminen alle 900°F jää tekemättä, se 15 voi johtaa metallin erottumiseen, jolloin yksi tai useampi ruostumattoman teräksen kerros halkeilee matalahiiliteräksisestä ydinkerroksesta.

Näiden ongelmien estämisessä jäähdyttämällä kuumavalssattu nauha alle 900°F syntyy muita ongelmia. Nopea jäähdytys alle 900°F kuumalla rulla-; t 20 pöydällä on epäedullinen, koska kuumavalssatun nauhan kelaaminen rullapöydällä tapahtuneen nopean jäähdytyksen, esimerkiksi vesisammu-tuksen avulla, jälkeen johtaa mekaanisiin vikoihin kelan pinnassa. Nämä viat on poistettava pinnan hiomisella, tehden välttämättömäksi lisävalmis-tuskustannukset. Korkeammat kelauslämpötilat johtavat vähempiin 25 mekaanisiin vikoihin.

Eräs lähestymistapa edellä mainittuihin ongelmiin on jäähdyttää ruostumaton teräs/hiiliteräskomposiittimateriaalin kuumavalssatut nauhat siten, että kelauslämpötila on suurempi kuin 900°F mutta vähemmän kuin 30 1200°F (649°C). Tämä käytäntö minimoi alttiutta sekä karbidien muodos- 3 108413

tukseen rajapinta-alueeseen että karkeiden ferriittirakeiden muodostukseen ydinmateriaalissa, minimoiden samalla nopeaan jäähdytykseen liittyvien mekaanisten vikojen levinneisyyden kelan pinnassa. Noin 1200°F

i yläpuolella karbidien muodostukseen liittyvät viat eivät ole enää suvaitta-5 vissa. Kuitenkin, koska tämä lähestymistapa on kompromissi, se ei tarjoa täysin tyydyttävää ratkaisua; edellä mainitut rikastuneet karbidialueet ja karkeat ferriittirakeet muodostuvat yhä jossain määrin.

Artikkeli nimeltä "Development of New Low Carbon Low Alloy Steel Sui-10 ted to be Clad with Stainless Steel", Hashimoto et ai., ISIJ, Vol. 31 (1991), ss. 706-711, kuvaa stabiloituja teräksiä, joissa on vähemmän kuin 0,01 % hiiltä ja jotka sisältävät niobia ja titaania. Ferriittinen raekoko on säädetty säätämällä lopullista hehkutuslämpötilaa ja käyttäen nopeampia jäähdy-tysnopeuksia.

15

Yllä mainittujen haittapuolien lisäksi, jotka kohdataan ruostumaton teräs/hiiliteräskomposiittimateriaalien kuumavalssauksessa, haittapuolia kohdataan myös käsittelyn aikana. Ruostumaton träs/hiiliteräskomposiit-timateriaalit voivat edellyttää lämpökäsittelyä yli 1700°F (927°C) lämpöti-20 loissa tarkoituksena poistaa jännityksiä, joita on muodostunut sitomis-prosessin ja minkä tahansa seuraavan kylmämuovauksen aikana, ja kromi karbidien liuottamiseksi, jotka ovat muodostuneet ruostumattomiin teräskerroksiin. Tyypilliset hiiliteräkset, kuten esimerkiksi tyyppi 1006, jota käytetään komposiittiydinmateriaalina, muuttuvat pääasiallisesti austeniit-25 tiseksi rakenteeksi alle 1700°F lämpötiloissa, tyypillisen ruostumattoman teräksen rekristallisaatiolämpötilan alapuolisissa lämpötiloissa. Tämän vuoksi lämpökäsittely olennaisesti suuremmissa lämpötiloissa kuin 1700°F voi aiheuttaa merkittävää austeniittisten rakeiden karkenemista ydinkerroksissa, mikä muuttuu samalla lailla karkeiksi ferriittirakeiksi jääh-30 dytyksen aikana.

4 108413

Niinpä esillä olevan keksinnön eräänä päämääränä on aikaansaada hiili-teräs/ruostumaton teräs puristusliitetty komposiittimateriaali, joka voidaan kelata ilman tarkoituksetonta jäähdytystä kelauslämpötilassa yli 1200°F vähentyneellä alttiudella sekä (i) karbidirikastuneiden alueiden muodos-5 tukseen rajapinta-alueessa että (ii) karkeiden ferriittiraekerrosten muodostumiseen hiiliteräksisessä ydinmateriaalissa.

Esillä olevan keksinnön eräänä lisäpäämääränä on aikaansaada hiiliteräs-tä/ruostumatonta terästä oleva puristusliitetty komposiittimateriaali, jossa 10 on olennaisesti vähennetty mekaanisten vikojen rasitus jäähdytyksen jälkeen kelauslämpötiloissa yli 1200°F, edullisesti suurempi kuin 1400°F -noin 1450°F (760 - 788°C), verrattuna T-304DA:an, jolla on perinteinen hiiliteräsydinmateriaali.

15 Keksinnön päämääränä on niinikään aikaansaada T-304DA-komposiitti-materiaali, jota voidaan käsitellä käyttäen korkeita hehkutuslämpötiloja, edullisesti noin 1250°F - noin 1950°F, kuumanauhahehkutustoimenpiteen aikana ilman merkittävää lisäystä austeniittisen faasin rakeiden kapenemisessa.

20

Keksinnön eräänä päämääränä on niinikään aikaansaada ruostumaton teräs/hiiliteräskomposiitti, kuten esimerkiksi T-304DA-komposiittimateriaa-li, mikä tyydyttää yllä mainitut päämäärät ja jolla on mekaaniset ominaisuudet, jotka ovat verrattavissa niihin komposiitteihin, joilla on tavanomai-25 nen hiiliteräsydinmateriaali.

Lisäksi keksinnön eräänä päämääränä on eliminoida viimeistelyvalssaus lopullisena käsittelyvaiheena.

5 108413

Keksinnön päämäärien saavuttamiseksi on keksinnön mukaiselle puris-tusliitetylle komposiittimateriaalille tunnusomaista patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa esitetyt seikat. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on puolestaan tunnusomaista patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa 5 esitetyt asiat.

Piirustuksissa:

Kuvio 1 on graafinen esitys jähmeässä liuoksessa olevan hiilen osuu-10 desta terässeoksessa seoksen hiili-, titaani- ja niobipitoisuuden funktiona.

Kuvio 2 on aika-lämpötilakäyrä kuumavalssatun nauhan lämpökäsittelyn tekniikan tason käytännöstä.

15

Kuvio 3 on aika-lämpötilakäyrä esillä olevan keksinnön mukaisesta nopeammasta lämpökäsittelysyklistä.

Kuten esitetty yllä, eräs lähestymistapa yllä kuvattuihin ongelmiin, joita 20 kohdataan kuumavalssatun ruostumaton teräs/hiiliteräskomposiittimate-* naalien valmistuksessa, on ollut jäähdyttää kuumavalssattu komposiitti lämpötilaan yli 900°F, mutta alle 1200°F ennen kelausta. Kuitenkin, kuten todettu yllä, tämä lähestymistapa ei ole täysin tyydyttävä. Esillä oleva keksintö käyttää kattavampaa ratkaisua; ydinmateriaali esillä olevan kek-:-V: 25 sinnön mukaista ruostumaton teräs/hiiliteräskomposiittia varten on stabi loitu matalahiilinen teräs. Tässä kuvattu uusi stabiloitu ydinmateriaali on puristusliitetty T-304 ruostumatonta terästä oleviin pintakerroksiin muodostamaan T-304DA-komposiitti. Kuitenkin on pohdittu, että verrannolliset edut kohdataan puristusliittämällä stabiloitu esillä olevan keksinnön mu- 6 108413 kainen ydinmateriaali yhden tai useamman muun tyyppisen ruostumattoman teräksen kerroksen kanssa.

"Stabiloidulla" hiiliteräksellä on kemia, joka sisältää alkuaineita, jotka 5 sitovat, s.o. "puhdistavat", hiili- ja typpiatomeja, jotka muodostaisivat muutoin ei-toivottuja erkaumia teräkseen. Puhdistusalkuaineet muodostavat stabiileja karbideja ja nitridejä ja tämän vuoksi poistavat hiiltä ja typpeä jähmeästä liuoksesta. Sellaisenaan puhdistusalkuaineisiin voidaan viitata tässä "karbidinmuodostus" alkuaineena. Koska liukoisen hiilen läsnäolo 1 o teräksessä rekristallisaation aikana myötävaikuttaa yllä esitettyihin ongelmiin, on suotavaa stabiloida hiili muodostamalla sen karbidimuoto. Hiiliteräs on "täysin stabiloitu", kun hiilen ja typen koko pitoisuus teräksessä esiintyy karbidien ja nitridien muodossa.

15 Esillä olevan keksinnön mukaisen stabiloidun hiiliteräksen käyttö ydinmateriaalina puristusliitetyssä ruostumaton teräs/hiiliteräskomposiitissa, on havaittu sallivan kelauslämpötilat merkittävästi yli 1200°F, esimerkiksi 1400°F -1450°F, vähentäen samanaikaisesti merkittävästi taipumusta, verrattuna T-304DA:an, jolla on perinteinen hiiliteräsydinmateriaali, yllä 20 mainittuihin karbidien irtautumisen ja karkean ferriittiraekerroksen muodostumisen ongelmiin. Kuumavalssattua komposiittimateriaalia, joka sisältää tässä kuvatun stabiloidun ydinmateriaalin, ei sinänsä tarvitse jäähdyttää kuumalla rullapöydällä ennen kelausta. Lisäksi esillä olevan keksinnön mukaisella hiiliteräs/ruostumaton teräs puristusliitetyllä kompo-25 siittimateriaalilla on olennaisesti vähentynyt mekaanisten vikojen rasitus, verrattuna perinteiseen T-304DA:an, kun se on kelattu yllä mainituissa korotetuissa lämpötiloissa. Niinikään T-304DA-komposiittimateriaalia, joka on muodostettu käyttäen tässä kuvattua stabiloitua ydinmateriaalia, voidaan käsitellä käyttäen korkeita hehkutuslämpötiloja, noin 1250°F -30 noin 1950°F, kuumanauhalämpökäsittelytoimenpiteen aikana ilman mer- 7 108413 kittävää rakeen karkenemista austeniittisessa faasissa. Lopuksi T-304DA-komposiittimateriaalilla, jolla on tässä kuvattu stabiloitu ydinmateriaali, on mekaaniset ominaisuudet, jotka ovat verrattavissa T-304DA:n, jolla on perinteinen hiiliteräsydinmateriaali, ominaisuuksiin.

5

Formuloitaessa esillä olevan keksinnön mukaisen stabiloidun ydinmateriaalin kemiaa, uskotaan, että komposiittimateriaalilla, joka tyydyttää yllä mainitut päämäärät, on oltava hiiliteräsydinmateriaali, mikä säilyttää suhteellisen pienen ferriittisen raekoon korkeissa lämpötiloissa (yli noin 10 1950°F) tapahtuvan laajan käsittelyn jälkeen. Sellaisenaan uskotaan, että ferriittisen raekoon, joka esiintyy ennen käsittelyä, on oltava joko pienempi tai yhtä suuri käsittelyn jälkeen haluttuun ferriittiseen raekokoon nähden. Tämän vuoksi uskotaan, että fyysinen raekoko, joka on yhtä suuri tai pienempi kuin lopullisen lämpökäsitellyn ferriitin ASTM #6 raekoko, tulee 15 esiintyä käsittelyn joka vaiheessa. Tarkoituksena kontrolloida esillä olevan ydinmateriaalin käsittelyä edeltävää ja käsittelynjälkeistä raekokoa, esillä oleva keksintö käyttää hyväksi kahta menetelmää: (1) karbidierkau-mien jakautumista seoksen sisällä ja (2) raekokorajojen rajoittaminen liuoksen kiinnittämisellä (solute pinning).

v; 20

Ensimmäinen menetelmä, jota käytetään hyväksi raekoon kontrolloimiseksi esillä olevan keksinnön mukaisessa puristusliitettyjen komposiittien ydinmateriaalissa, on levittää seoksen sisäpuolelle erkaumia, joiden koko, jakauma ja tilavuusosuus on yhteensopiva halutun käsittelynjälkeisen 25 raekoon kanssa. Erkaumajakauman tulee olla stabiili korkeissa lämpötiloissa, joita käytetään korkealämpötilaisen lämpökäsittelyn aikana ja sen on myös estettävä austeniittisten rakeiden karkeneminen näissä korkeissa lämpötiloissa.

8 108413

Erkaumia voidaan muodostaa teräksiin edellä mainittujen karbidinmuo-dostus "puhdistusalkuaineiden" lisäyksen avulla, joilla on voimakas kemiallinen yhtymistaipumus hiileen ja jotka muodostavat karbideja ollessaan läsnä hiiliteräksessä. Sellaiset puhdistusalkuaineet sisältävät esi-5 merkiksi titaanin, niobin, zirkoniumin, vanadiinin, tantaalin, kromin, molybdeenin, volframin, uraanin, boorin ja koboltin. Esillä oleva keksintö käyttää niobia ja vähintään yhtä muuta puhdistusalkuainetta, mikä on suhteellisen voimakas karbidinmuodostaja. Vielä tärkeämmin puhdistusalkuaineen tai alkuaineiden, jotka lisätään niobin lisäksi, täytyy muodostaa erkaumia, 10 jotka ovat stabiileja korkeissa lämpötiloissa. Edullisesti titaanin ja niobin lisäys esillä olevaan hiiliteräsydinmateriaaliin muodostaa titaani-ja niobi-karbideja, yhdisteitä, joilla on suuresti vähentynyt liukoisuus teräksen jähmeään liuokseen noin 2050°F (1121°C) tai korkeampaan lämpötilaan asti.

15

Lopullisesti muodostettujen erkaumien määrä riippuu seoksen ydinmateriaalin hiilipitoisuudesta. Tämän vuoksi, jotta saavutettaisiin tietty raekoko, on tarpeen valita tarkoituksenmukainen hiilipitoisuus terästä varten. Uskotaan, että noin 0,01 paino-% - noin 0,025 paino-% hiiltä, edullisesti noin • 20 0,01 paino-% - noin 0,02 paino-% hiiltä, yhdessä tarkoituksenmukaisen titaanimäärän kanssa tuottaa titaanikarbidierkaumien määrän, joka on riittävä muodostamaan komposiitin ydinmateriaalille ferriittiseen raekokoon vähintään niin hieno kuin ASTM #6 (korkeammat numerot edustavat hienompia raekokoja) kaikissa käsittelyn vaiheissa. Titaanipitoisuus on 25 säädettävä alempana esitettävän kaavan mukaisesti.

Tarkoituksena saavuttaa karbidierkaumien tarkoituksenmukainen jakauma seoksessa, on tarpeen liuottaa erkaumat uudelieenkuumennusuunissa ja uudelleenerkauttaa ne kuumavalssaustoimenpiteen aikana. Titaanikarbidit 30 ja niobikarbidit ovat sopivia tämän tyyppiseen liuottamiseen ja uudelleen- 9 108413 erkauttamiseen, koska ne voivat liueta uudelleenkuumennusuunissa lämpötiloissa noin 2250°F (1232°C). Kuitenkin, mikäli titaanin ja niobin nitridit liuotetaan paljon korkeammissa uudelleenkuumennuslämpötiloissa, ne muodostavat karkeita erkaumia, jotka vähentävät titaanin ja niobin tehok-5 kuutta raekoon hienontamiseksi. Tämän vuoksi teräksen typpipitoisuuden tulee rajoittua korkeintaan 0,08 paino-%:iin, edullisesti korkeintaan 0,005 paino-%:iin.

Kuten mainittu yllä, toinen menetelmä, johon nojaudutaan esillä olevassa 10 keksinnössä raekoon rajoittamiseksi, on "liuoksen kiinnittäminen (solute pinning)", missä yksilöllisten ferriittirakeiden koon kasvu estetään auste-niittisesta ferriitti seksi rakenteeksi muuttumisen aikana. Niobia voidaan käyttää muodostamaan liuoksen kiinnitys, ja itse asiassa niobia lisättiin kokeellisiin sulatteisiin pääasiallisesti liuoksen kiinnittämisen aikaansaa-15 miseksi. Uskotaan, että tarkoituksena ehkäistä tarkoituksenmukaisesti rakeen kasvua rekristallisaation aikana, niobia tulee lisätä kokeellisiin sulatteisiin määrässä välillä noin 0,02 paino-% - 0,04 paino-%, edullisesti 0,03 paino-%.

20 Pohjautuen yllä kuvattuun hiilen, typen ja niobipitoisuuksien määrään, hiiliydinmateriaalin titaanipitoisuuden tulee olla sovitettu alla olevan yhtälön 1 mukaisesti, joka on piirretty käyräksi yhdessä muodossa kuviossa 1. Prosenttiosuudet ovat painoprosentteja.

25 Yhtälö 1: %titaani = (24/7 X %typpi) + 24/6(%hiili - (%niobi X 4/31))

Kuvio 1 esittää hiilen osuuden jähmeässä liuoksessa terässeoksen hiili-, titaani-ja niobipitoisuuden funktiona. Negatiiviset numerot liuenneelle hiilelle osoittavat ylistabilointia, s.o. tilaa, jossa karbidinmuodostuspuhdis-30 tusalkuaineita on liikaa. Positiiviset numerot osoittavat liuenneen hiilen 10 108413 alistabilointia. On ilmiselvää, että vastakkaiset merkitykset kietoutuvat päätettäessä, mikä hiilen stabilointitaso on toivottua. Kun suhteellisen suuri määrä erkaumia muodostetaan stabiloinnin avulla, korkeampi uudel-leenkuumennuslämpötila on tarpeen erkaumien liuottamiseksi ennen 5 niiden uudelleenerkauttamista kuuman nauhan johdosta. Kuitenkin liian vähäinen stabilointi voi johtaa liuenneen hiilen kulkeutumiseen rajapinta-alueeseen ja ei-toivottujen karbidirikkaiden alueiden muodostumiseen. Näiden vastakkaisten merkitysten tasapainottamiseksi esillä olevan keksinnön mukaisella stabiloidulla hiiliteräksellä on sulakemia siten, että se 10 on ylistabiloitu tiettyyn koostumusalueen osaan ja alistabiloitu koostumus-alueen eri osassa. Pohjautuen kuvion 1 antamaan informaatioon, uskotaan, että titaanipitoisuus noin 0,07 - noin 0,09 paino-% stabiloi täysin teräksen alhaisilla hiilitasoilla ja osittain stabiloi teräksen korkeilla hiilita-soilla.

15

Pohjautuen yllä oleviin tarkasteluihin, stabiloidun hiiliteräsydinmateriaalin kaksi kokeellista sulatusta valmistettiin, joilla oli taulukon 1 esittämä kemia. Kaikki prosentit ovat kokonaisseoksen painoon perustuvia painoprosentteja.

·: ; 20

Taulukko 1: Kokeellisten erien kemiat painoprosentteina kokonaisseoksen painosta_

Erä A Erä B

25 Hiili 0,011 0,019

Typpi 0,003 0,003

Titaani 0,064 0,079

Niobi__0,023 | 0,025 ,, 1 08413

On ymmärrettävä, että muita elementtejä voi sisältyä taulukossa 1 mainittujen lisäksi seoskoostumuksiin. Nämä lisäalkuaineet voivat olla läsnä joko satunnaisina epäpuhtauksina tai alkuaineina, jotka on tarkoituksellisesti lisätty jotakin lisätarkoitusta varten, kuten esimerkiksi antamaan 5 joitakin haluttuja ominaisuuksia lopulliselle ydinmateriaalille tai komposiitille. Seos voi sisältää esimerkiksi jäännösmääriä mangaania, rikkiä, fosforia ja alumiinia. Niinpä tässä kuvattuja esimerkkejä ei tule tulkita epäasianmukaisesti rajoittamaan vaatimuksia. Lisäksi taulukon 1 kokeelliset sulatukset on tarkoitettu edustamaan haluttuja ja etusijalle asetettuja alku-10 aineiden alueita, jotka sisältyivät kokeellisiin seoksiin. Uskotaan, että vertailukelpoiset ominaisuudet saavutetaan valitsemalla erilaiset kaavat sulille haluttujen tai etusijalle asetettujen alueiden sisällä.

Kunkin kokeellisen erän stabiloitua hiiliterässeosta käytettiin valmista-15 maan T-304DA-puristusliitetyn komposiittimateriaalin kokoonpanot, kunkin kokoonpanon sisältäessä kerroksen kokeellisesti stabiloitua matalahiilistä terästä sidottuna konventionaalisen T-304 ruostumattoman seoksen pintakerroksiin. Erilaiset menetelmät kokoonpanojen muodostamiseksi ja kokoonpanon kerroksien liittämiseksi T-304-DA-komposiittimateriaaliksi ovat 20 tunnettuja alan ammattilaisille. Edustavat esimerkit näistä menetelmistä on kuvattu yllä mainituissa US-patenteissa n:ot 3,693,242 ja 3,862,484.

Käyttäen menetelmiä, jotka ovat tunnetut alan ammattilaisille, neljä T-304DA-kokoonpanoa valmistettiin käyttäen ydinmateriaalia kustakin ko-25 keellisesta erästä, kahdeksan kokoonpanoa yhteensä. Kunkin T-304DA-komposiitin valmistuksessa loppuunsaatetut kokoonpanot kuumavalssat-tiin keskikokoiseen mittaan 0,125 tuumaa (1,17 mm) ja kelattiin erilaisissa kelauslämpötiloissa. Näytteet kerättiin kaikista kahdeksasta kelasta kuumavalssatussa tilassa määrittämään niissä oleva raekoko.

30 12 108413

Kaksi kuumavalssattua kokoonpanoa, joilla oli ydinmateriaali kokeellisesta erästä A ja kaksi kuumavalssattua kokoonpanoa, joilla oli ydinmateriaali kokeellisesta erästä B, kelattiin ilman tarkoituksellista jäähdytystä kelauslämpötilassa yli 1400°F - 1550°F (843°C) ja ollen välillä 1420 -5 1500°F (771 - 816°C). Loput neljä kokoonpanoa jäähdytettiin nopeasti vesisammutuksella kuumalla rullapöydällä ja kelattiin sitten lämpötiloissa alueessa 1000°F - 1200°F. Kokeellisten kelojen havaittiin omaavan paremman muodon kuin T-304DA-kelat, joilla on tavanomainen ydinmateriaali. "Parempi muoto" oli subjektiivinen määrittely, joka tehtiin sen jäl-10 keen, kun havaittiin, että kelojen nauhahiominen väheni merkittävästi.

Kaikki neljä kelaa, jotka sisälsivät ydinmateriaalin kokeellisesta erästä A, kuumanauhalämpökäsiteltiin 110 sekuntia, jotta saavutettiin nauhan lämpötila 1850°F tai yli maksimilämpötilaan 1940°F asti. Jäähdytysnopeus oli 15 välillä 60 - 90°F/sekunti (33,3 - 50°C/sekunti). Vastaavasti kaksi kelaa, joilla oli ydinmateriaali erästä B, joista yksi kela oli vesisammutettu ja yksi kela, jota ei ollut tarkoituksellisesti jäähdytetty ennen kelausta, kuumanauhalämpökäsiteltiin käyttäen samaa toimenpidettä. Kokeet osoittivat, että ferriittiraekoko lämpökäsiteltyjen kelojen ytimessä oli välillä ASTM #7,0 ja 20 #8,0.

Kuumanauhalämpökäsittelyn jälkeen kuusi kokeellista kelaa kylmävals-sattiin sitten lopulliseen 0,037 tuuman (0,94 mm) mittaan. Kaikki kokeelliset kelat lämpökäsiteltiin sitten ja peitattiin. Lopullisen lämpökäsittelyn 25 jälkeen osat kustakin kuudesta kokeellisesta kelasta testattiin hehkutettuina ja viimeistelyvalssauksen jälkeen ("skin pass"). Viimeistelyvalssaus on tavanomainen toimenpide, jota normaalisti käytetään tavanomaisten ma-talahiilisten ytimien yhteydessä eliminoimaan myötöjuovat lopullisissa komposiiteissa. Lopullisten kokeellisten stabiloidun ytimen T-304DA-ma-30 teriaalin mekaaniset ominaisuudet ja havaittu mikrorakenne, vastaavassa 13 108413 järjestyksessä, on esitetty taulukoissa 2 ja 3. Vertailutarkoitusta varten taulukot 2 ja 3 sisältävät myös keskimääräiset odotettavissa olevat ominaisuudet T-304DA-komposiittimateriaalille> jolla on tavanomainen (s.o. ei-stabiloitu) matalahiiiinen teräsydin. Taulukko 2 osoittaa myös, millainen 5 lopullinen toimenpide käytettiin kelanäyttelyn käsittelemiseksi, joko lopullinen lämpökäsittelytoimenpide tai "skin pass"-toimenpide ennen testiä. Kuten käytetty tässä, termi "skin pass" merkitsee lopullista lämpökäsittelyä, jota seuraa viimeistelyvalssaus.

10 15T-kovuus, joka on annettu taulukossa 2, laskettiin ASTM E-18 avulla. Tämä testaustoimenpide on toteutettu käyttäen 1,588 mm (1/16") halkai-sijaista palloa alustavan testivoiman tai kiinnitysvoiman ollessa 3 kg/jalka ("kgf) (29N), lisävoiman 12 kgf (119N), ja täten kokonaisvoima 15 kgf (147N). Kovuus on ilmaistu 100 ja tunkeumasyvyyden pysyvän lisäyksen 15 avustavan voiman välisenä erona, kun lisävoima poistetaan. Lisäys mitataan yksikköinä 0,001 mm.

108413 14 - — ..........1 •rl 1—I ' 3 to m i tn -=i ^ o\° m •H 3«0 X! - i-ι P fto H co io (U d E ° mr-^oo

P E :3 <N

(Tl E Ή H

E 3 to v ' S m d

•rH -H 3 3 O 00 o\P lO

"d »HH >H - >1 3 3 ·Η m cn io m > ,¾ P Tj« «s< co c o_______ 3

M I

M CQ d O E co co oY> r- •ro :3 E ·.··*.

P 3 X CM ’O* ro VO

·* w M in r- n< oo < :3 *H ______

Z OPM

Μ "φ O) O) 3 H o o\° Γ" Z o l > P - HEH ro 3 M >h ιο vr r·· ιο O W iO -h d Trr^^co

0 Q Eh X WP

W O

w o _______ x w

O H

x < -h

Z H

Z H 3 M I h OS 3 d :θ o H O o\° r- O *H P ftO - *C p dEo X coooom M En 3 E:3cn ή· r- 'O* co MW -P E H H_____

O W 3 3 M V

in m E Md Z 3 -H 33 oo in <#> id *·1¾ *rH M i—I i—I X* ·· ·· *· βι=£ Ό 3 3 -H O O H H· ·· X >1 > X P n· r- m oo <, w OS 3 ^ Q *" ' .............

O - co Z 3

1 H M I

Eh Q M < d

Jx O E co ro op oo <nO P <3 X oi © io m

Eh «-mm h* r* t oo OH < :3 -H m X O O P M d H· 3 3 3 in O Λ° IO 3 dH O I > P - - M·

Hpq CO 3 M ΪΗ rH H O *3* M3 .. .... 31¾ 10 -H d r-~ in oo H3 • ' 3 Eh Eh M W -P M33

En W ___________3 > X

i P f* d

H d h E

E 3 X 3

0 - M P P CO

['•MC 3 M H

P co O 3 H X! 3 I

3 O -ro 3 H d H W

M ·· -H 3 O E

•HO 3 3 ft-H S

:3 3 E -H O -H EH

ΡΡΗ0Ρ O r- o\° in 0>M

:3 3 H 3 3 - ‘ - < :3 3 » 3 P X Ί· o oo in II li E d < > 3 -tfONico tx

•H d O 3 E >H X P

X M ·3< P 5 P

M -H O -H N tx 3

‘ 3 3 ro 3 Ό H rH P

XCEHOix 33 -H

P P p ---------P P :3 •H ·Η :3

M M E

:3 :3

En X X En m in in

3 £x 3 d h CCH

3 H -n d 3 3 3 3 3 -ro - 3 3

•H P P d :3 M -H -H M

3Ρ.ΌΗ E d 3 3 d E-HP o P. d E E d •H M :o P 3 > -H -H >

-H :3 tx 3 3 O -H -H O

_ > X Z > > X > > X

15 108413

Taulukossa 2 esitetyt veto-ominaisuudet, s.o. myötöraja, vetolujuus, ja venymä, eivät muuttuneet erilaisissa testaussuunnissa. Kuitenkin myötöraja ja vetolujuus aleni merkittävästi komposiiteille, jotka valmistettiin erän A ydinmateriaalilla, jolla oli alempi hiilitaso kuin erällä B. Kuten osoitettu 5 taulukossa 2, kokeellisten koostumusten mekaaniset ominaisuudet ovat verrattavissa T-304DA:an, joka sisältää tavanomaisen (s.o. ei-stabiloidun) matalahiiliteräksisen ydinmateriaalin, ominaisuuksiin. Taulukon 2 tulokset osoittavat kokeellisen materiaalin R-tankoarvot alueessa 1,1 -1,2 ja LDR-arvon 2,06. Suotuisten mekaanisten ominaisuuksien lisäksi taulukon 2 10 tulokset osoittavat, että kokeellisten koostumusten ainutlaatuinen kemia eliminoi lopullisen tuotteen viimeistelyvalssauksen (skin pass).

Tässä käytettynä R-tankoarvo on plastinen muodonmuutoskerroin (plastic strain ratio), joka on materiaalin anisotropian mitta, kun sitä on deformoitu. 15 R-tankoarvo on laskettu keskiarvo eri suuntien vetomuodonmuutoksista. LDR-arvo (Limited Drawing Ratio) on rajoitettu vetokerroin, joka on määritetty vedettävän aihion maksimaalisen halkaisijan suhteesta vakiohalkai-sijaan. LDR-arvo osoittaa lopullisen komposiitin vedettävyyden.

- 20 Alla oleva taulukko 3 tarjoaa raekokotiedon viimeistellyille kokeellisille koostumuksille, mitattuna eri asemissa komposiittirakenteen läpi: päällystys A:n raekoko on mitattu T-304 ruostumattoman teräksen yhdessä pintakerroksessa; päällystys B:n raekoko on mitattu rajapinta-alueessa T-304 pinnan yhden kerroksen ja stabiloidun ydinmateriaalin välissä; päällystys 25 C on mitattu ytimen keskialueessa; ja päällystys D on mitattu toisessa T-304-pintakerroksessa. Taulukko 3 rekisteröi myös kaikkinaisen hiilen kulkeutumisen esiintymisen ydinmateriaalista ytimen rajapinta-alueeseen. Raekoot on esitetty ASTM-numeroina. Esimerkkinä ilmaisu "8S9" merkitsee ASTM raekokoa 8, jossa on hajanaisia ASTM raekoon 9 rakeita.

16 108413

Ilmaisu "9-8" merkitsee pääasiallisesti ASTM raekokoa 9, mutta sisältäen monia koon 8 rakeita.

17 108413

•H

H

cd ·*· <d ra i a •H 3:00 M P fto c <U 3 E o :(d P g :3 in :id (d E H H jj E 3 ra v -h

3 rap oo oo E

•h Ή id (d i i m i

Ό M H H σι r- r~ 01 -H

>i d) O) ·Η ¢)

> A! P G

O — . .............. M I .... - .11 ' --------- — id

a ra I

m ra « 3 O oi

Ci 'n :id E

a M -P 3 G

O E - ra m :id P < :id -H :id

r< a OP w oor^ixjoo-P

w i a) o <d I ICOI-H

WS OI > P σ» t i"· σι E

OH n a) ra ^ ^ “ H 5 WP « <ΰ ~ h a--------—~

rH H

< £ H

0 <3 ra i pn -*r P id 3:00 oh ·Η P ao <o h p 3 E O g 1 O 0) E :3 <N :n3 HO P EHH :nj H <β (u W V -00 f'-* t*^ CO i->

£ « I “ 2 ^ I I I I -H

0«. G -H id id oo ix> co E

OH Ή W f-H rH

X ω ·ο <u o)-h .H

ω Sh !> -P O) S w g a o — —....... .—............

H H

PJ oi H J ra i h W ra a 3*

rC M 0 E

> S ·η :S E

< O -P S c

ffi U! ‘ ra ra :S

< :id -H :nj

·· Qpra eri c— σο -M

ro d> 0) (d COIIM-H

oi>+J oor^coooE

. O IO <u ra c

r X I O -H 3 -H

X H .* W P φ 3* I ............. ................ - II —

rH I

G -H

id E id i

EH O = W X

r- ra c:id i P ro o <u p d> mo-nfi 0) -P ra - -h -p id

ho * Id -H E

:iö d) E h 5

P -P H o -H -H

:id ti) Η G -H Ό

:2 'S P Λ ^ ή o r- rH

E3<>« H

H 3 O Id H fi rl 00 [r- ("· 00 X ra •er -P id d) id ra -h o P β id ti) id io C id ·Η -h ti G H O E « p ra 3 c .y ra — w g id <u -h

< « P O M Q E

G 3 o ra— m-h wc ra— p X in a >i d) 3 O Ho rH Id H E HO d)

X rjto rH-r-i H-H rH ΙΟ X

d) :<d i :id iti :<ti P :id i H

<d :<d Eh :<d P :id >i :id H 3 k a— a — a— Va — x 18 108413

Kuten esitetty taulukossa 3, kokeellisten koostumusten raekoot olivat kauttaaltaan yhdenmukaisia keksinnön päämäärien kanssa. Mitään karkeita ferriittiraekerroksia ei havaittu esiintyvän kokeellisten koostumusten käsittelyssä. Raekoot kaikissa kohdissa lopullisen koostumuksen läpi 5 olivat verrattavissa suotuisasti T-304DA:n raekokoihin, joka koostumus sisältää tavanomaisen matalahiiliteräksisen ydinmateriaalin. Kaikki raekoot olivat hienompia kuin tavanomaisen T-304DA-koostumuksen keskiarvo lukuun ottamatta päällyksessä C (keskiydin). Lisäksi mitään hiilen kulkeutumista ytimen rajapinta-alueeseen ei havaittu missään kokeellises-10 sa näytteessä. Niinpä mitään karbidirikkaita alueita ei havaittu rajapinta-alueen läheisyydessä kokeellisissa näytteissä. Muutamat kokeelliset kelat hehkutettiin kaikkinaisten karbidierkaumien liuottamiseksi ja sallimaan niiden uudelleenerkautuminen. Tarkoituksena määrittää tyydyttävät hehkutuslämpötilat ja ajat, kokeellisten T-304DA-koostumusten mustan 15 nauhan näytteet leikattiin kuumanauhahehkutustutkimuksen suorittamiseksi. Yhdenmukaisesti yllä hahmoteltujen päämäärien kanssa hehkutustutki-musten päämäärät olivat (i) nopeuttaa kuumanauhahehkutusta samalla, kun estetään karbidin muodostus ruostumattoman teräksen kerroksissa ja (ii) ylläpitää hieno ferriittinen raekoko vähintään ASTM #7 - #8 ydinmateri-20 aalissa. Hehkutustutkimukset käyttivät lämpötilaa alueessa 1250T -2100°F (1010-1149°C). Näytteet kuumennettiin valittuihin hehkutusläm-pötiloihin likimäärin 122 sekunnissa ja pidettiin hehkutuslämpötilassa 0 -noin 70 sekuntia. Hehkutustoimenpiteen jälkeen hehkutetut näytteet vesi-jäähdytettiin sitten lämpötilaan alle 700°F (371°C) 30 sekunnissa jäähdy-25 tysnopeudella 38 - 65°F/sekunti ja arvioitiin mikrorakenteen osalta.

Hehkutuskokeet osoittivat, että hehkutukset 1850°F:ssa 30 sekuntia, 1900°F:ssa 10 sekuntia tai 1950°F:ssa 0 sekuntia olivat riittäviä mikrora-kennepäämäärien saavuttamiseksi. Nämä hehkutukset varmistivat sen, 30 että karbidit ruostumattomissa teräskerroksissa tulivat mukaan liuokseen 19 108413 ja että austeniitin raekoko näissä kerroksissa oli alueessa ASTM #8,5 -#10. Hehkutuslämpötilan lisääminen yli 1950°F pyrki ei-toivotusti lisäämään karkean austeniitin määrää (mikä muuttui widmanstetten'in ferriitiksi) T-304DA-näytteiden ytimessä. Samoin yli 1950°F hehkutuslämpötilan 5 käyttö aiheutti austeniittisen raekoon lisääntymisen ruostumattomassa teräskerroksessa kokoon ASTM #7 - #8 raekoosta ASTM #8,5 - #10, joka saavutettiin alemmissa hehkutuslämpötiloissa.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti kuumavalssattu hehkutus voidaan 10 tehdä lyhyemmässä ajassa alueessa 1850°F - 1950°F asti. Hehkutusko-keet osoittivat, että aika-lämpötila 30 sekuntia 1850°F:ssa, ja vähemmän aikaa korkeammissa lämpötiloissa, oli riittävä varmistamaan, että karbidit ruostumattomissa teräskerroksissa liuotettiin. Tuloksena kuumavalssatun nauhan hehkutuslinjanopeuksia voidaan lisätä merkittävästi. Edustavat 15 esimerkit on esitetty kuvioissa 2 ja 3. Kuvio 2 edustaa aika-lämpötilatulos-tusta kuumavalssatun nauhan hehkutuksen aiemmasta käytännöstä. Aiemman käytännön kuumanauhahehkutus käytti 1950°F vyöhykelämpöti-loja nauhanopeudella 28 jalkaa per minuutti (fpm). Nauha on yli 1850°F lämpötilassa 110 sekuntia maksimilämpötilalla 1940°F. Jäähdytysnopeus 20 on 45 - 65°F per sekunti. Kuvio 3 esittää esillä olevan keksinnön mukaista nopeampaa hehkutussykliä. Nopeampi hehkutussykli käyttää 2000°F esikuumennusvyöhykkeessä ja 1795°F kuumennusvyöhykkeessä nauha-nopeudella 40 FPM. Nauha on yli 1850°F lämpötilassa 64 sekuntia maksimilämpötilalla 1930°F. Jäähdytysnopeus on 60 - 90°F/sekunti.

25

Vaikkakin nopeampaa hehkutussykliä on edullisesti käytetty esillä olevan keksinnön mukaisen stabiloidun hiiliteräsytimen kanssa, on havaittu sen olevan käyttökelpoinen myös tavanomaisen hiiliteräs/ruostumaton teräs-koostumusten yhteydessä.

30 20 108413

Kuten esillä olevan Keksinnön päämääränä oli, on järjestetty modifioitu hiiliteräs/ruostumaton teräs-komposiitti, jolla on pienennetty alttius karbidi-rikkaiden alueiden muodostukseen rajapinnassa ja jossa on hienompi raekoko hiiliteräsytimessä. Modifioidun ytimen kemia sallii komposiitin 5 kelaamisen korkeammissa lämpötiloissa kuumavalssauksen jälkeen vä-häisemmällä mekaanisten vikojen rasituksella. Komposiitilla on myös etuna, että viimeistelyvalssausta ei tarvita venymäjännitysten eliminoimiseksi, joka on tavallista koostumuksille, jotka käyttävät tavanomaisia hiiliteräsydinmateriaaleja.

10

Claims (7)

1. Puristusliitetty komposiittimateriaali, joka käsittää vähintään yhden kerroksen ruostumatonta terästä liitettynä vähintään yhteen kerrokseen 5 stabiloitua hiiliterästä pitkin rajapintaa, tunnettu siitä, että mainittu stabiloitu hiiliteräs sisältää niobia ja vähintään yhtä tai useampaa muuta karbidinmuodostusalkuainetta määrissä, jotka ovat tehokkaita estämään hiilen kulkeutumisen mainitusta stabiloidusta hiiliteräksestä siten, että mainittu rajapinta on olennaisesti vapaa rikastetuista karbidialueista, ja 10 että mainituilla ruostumattoman teräksen ja stabiloidun hiiliteräksen kerroksilla on fyysinen raekoko korkeintaan ASTM #6, ja että mainittu stabiloitu hiiliteräs käsittää seuraavat alkuaineet painoprosentteina stabiloidun hiiliteräksen kokonaispainosta: noin 0,01 - noin 0,025 % hiiltä; 15 noin 0,07 - noin 0,09 % titaania; noin 0,02 - noin 0,04 % niobia; korkeintaan noin 0,008 % typpeä; ja loput rautaa ja satunnaisia epäpuhtauksia.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen puristusliitetty komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että mainittu stabiloitu hiiliteräs sisältää vähintään yhtä muuta karbidinmuodostusalkuainetta valittuna ryhmästä, joka koostuu tantaalista ja sirkoniumista.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen puristusliitetty komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että mainitulla komposiittimateriaalilla on myötölujuus vähemmän kuin noin 410 Mpa (noin 60 ksi) ja venymä suurempi kuin 45%. 108413 22 °

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että mainittu stabiloitu hiiliteräs käsittää seuraavat alkuaineet > painoprosentteina stabiloidun hiiliteräksen kokonaispainosta: noin 0,01 - noin 0,02 % hiiltä; 5 noin 0,07 - noin 0,09 % titaania; noin 0,02 - noin 0,04 % niobia; korkeintaan noin 0,005 % typpeä; ja loput rautaa ja satunnaisia epäpuhtauksia.

5. Menetelmä valmistaa puristusliitetty komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että siihen kuuluu vaiheet: kuumavalssatun komposiittimateriaalin muodostaminen, joka materiaali käsittää vähintään yhden kerroksen ruostumatonta terästä sidottuna vähintään yhteen kerrokseen stabiloitua hiili-terästä, kuumavalssatun nauhan kelaaminen lämpötilassa yli noin 760°C 15 (noin 1400 °F), jolloin mainittu stabiloitu hiiliteräs käsittää seuraavat alkuaineet painoprosentteina stabiloidun hiiliteräksen kokonaispainosta: noin 0,01 - noin 0,025 % hiiltä; noin 0,07 - noin 0,09 % titaania; noin 0,02 - noin 0,04 % niobia; 20 korkeintaan noin 0,008 % typpeä; ja loput rautaa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu stabiloitu hiiliteräs käsittää seuraavat alkuaineet painoprosentteina 25 stabiloidun hiiliteräksen kokonaispainosta: noin 0,01 - noin 0,02 % hiiltä; noin 0,07 - noin 0,09 % titaania; noin 0,02 - noin 0,04 % niobia; korkeintaan noin 0,005 % typpeä; ja 30 loput rautaa. 23 1 0841 3

* 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siihen lisäksi kuuluu kuumavalssatun nauhan päästäminen lämpötilassa välillä n. 1850 °F - n. 1950 °F (n. 1010 °C - n. 1070 °C) niin alhaisen ajan kuin 5 30 s 1850 °F:ssa (1010 °C:ssa). * % « 24 1 0 8 4 1 3 *