FI125650B - Menetelmä valmistaa austeniittinen teräskappale - Google Patents

Description

MENETELMÄ VALMISTAA AUSTENIITTINEN TERÄSKAPPALE

Tämä keksintö kohdistuu menetelmään valmistaa muovattava, korkean lujuuden omaava austeniittinen ruostumaton teräskappale, jossa menetelmässä kappaleen mekaanisia ominaisuuksia parannetaan ainakin yksivaiheisella lämpökäsittelyllä.

Austeniittisten ruostumattomien terästen korkea muokkaus ja lyhyt hehkutus tekevät mahdolliseksi hienojakoisen martensiittisen ja austeniittisen raeraken-teen muodostumisen, joka mahdollistaa erinomaiset mekaaniset ominaisuudet korkeine lujuuksineen ja muovattavuuksineen. Tätä ilmiötä kuvataan julkaisussa Somani M. C. et ai, Microstructure and mechanical properties of reversion-annealed cold-rolled 17Cr-7Ni type austenitic steels, presented at Stainless Steel '05. 5th European Congress Stainless Steel Science and Market, Seville, Spain, Sept. 27-30, 2005, pp. 37-42. Tämän dokumentaation mukaan austeniittisia teräsnauhoja kylmävalssataan ja tämä kylmävalssaus edistää martensiitin muodostumista. Lyhyt linjakytketty hehkutuskäsittely lämpötilassa yli 700 °C edesauttaa muovattavan martensiitin ja ultrahienon aus-teniitin kaksifaasimikrorakenteen muodostumista. Jo 35 - 45 %:n kylmävals-sausmuokkauksella havaitaan ultrahienoa austeniittia. Kaksifaasimikärakenteella aikaansaadaan taivutuslujuus 1000 MPaja kokonaisvenymä 36 %.

JP-patenttihakemus 04-063247 kuvaa korkean lujuuden ja korkean muokattavuuden omaavaa ruostumatonta terästä, jota kylmävalssataan faasimuutoskä-sittelynä martensiittiseksi yksifaasiseksi mikrorakenteeksi. Sen jälkeen teräkselle suoritetaan lämpökäsittely lämpötila-alueella 600 - 900 °C muodostamaan mikrorakenne yksifaasiseksi austeniitiksi tai austeniitin ja martensiitin yhdistetyksi faasiksi. Sitten teräkselle suoritetaan jälleen martensiittifaasimuuotoskä-sittely lämpökäsittelynä lämpötila-alueella 600 - 900 °C. Näin muodostetaan mikrorakenne, joka on austeniittinen yksifaasirakenne tai austeniitin ja marten- siitin yhdistetty rakenne, ja mikrorakenne on hienojakoinen, jossa rakenteessa partikkelikoko on enintään 1 mikrometri.

JP-patenttihakemus 07-216451 kuvaa ruostumattoman teräksen valmistusta, jolla on hitsauspehmenemisvastus, korkea lujuus ja korkea muokattavuus, teräksellä on kaksifaasimikrorakenne, joka koostuu martensiittisesta faasista ja austeniittisesta faasista. 3 %.n tai pienemmän muokkauksen jälkeen suoritetaan 30 minuutin tai lyhyempi lämpökäsittely lämpötila-alueella 400 - 600 °C. Tällöin 0,2 %:n jännitysraja on suurempi kuin 900 N/mm2

Viitteet kuvaavat tuloksia kokeista litteille tuotteille, kuten levyt tai nauhat ja siksi ominaisuusarvojakautuma on olennaisesti yhtenäinen koko käsitellylle kappaleelle.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada parannettu menetelmä valmistaa austeniittinen ruostumaton teräskappale, jolla on ainakin osittain kaareva sisäinen tai ulkoinen muoto, ja jota kappaletta käsitellään ainakin yksivaiheisella lämpökäsittelyllä muokattavuuden ja korkean lujuuden hyvien mekaanisten ominaissuksien vuoksi. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit selviävät oheisista patenttivaatimuksista.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti austeniittista ruostumatonta teräsnauhaa ensin kylmämuokataan edullisesti valssaamalla edistämään martensiitin muodostumista mikrorakenteeseen, joka martensiitin muodostuminen on tunnetusti edullista muokattavuuden ja korkealujuuden halutuille mekaanisille ominaisuuksille. Kylmämuokkauksen jälkeen teräsnauha muotoillaan halutuksi kappaleeksi, jossa on ainakin yksi alue, jolla on kaareva ulkoinen ja/tai sisäinen muoto. Muotoiltu kappale reversiohehkutetaan palauttamaan martensiitti takaisin austeniitiksi ja aikaansaamaan hieno ja muokattava partikkelirakenne ainakin kappaleen kaarevalle alueelle. Edelleen lujittumisefekti aikaansaadaan kappaleelle reversiohehkutuksen aikana tai reversiohehkutuksen jälkeen erillisessä vaiheessa. Lujittumisefekti suoritetaan muokkauslujittumisena ja/tai keinovan-henemisena. Kun keinovanhenemista käytetään, keinovanheneminen edistää jännitysvanhenemista ja nostaa kappaleen lujuutta myös niillä alueilla, joissa reversiohehkutuksen vaikutus on pienempi.

Keksinnön mukaisella menetelmällä käsiteltävän nauhan raaka-aine on aus-teniittinen ruostumaton teräs, joka sisältää pääkomponentteina raudan lisäksi 15-22 paino-% kromia, 1-10 paino-% nikkeliä ja 0,5 - 20 paino-% mangaania sekä 0,01 - 0,1 paino-% hiiltä, edullisesti 0,01 - 0,05 paino-% hiiltä.

Austeniittinen ruostumaton teräsnauha edullisesti valssataan halutuksi kappaleeksi, mutta muotoilu voidaan myös tehdä taivuttamalla. Kappaleen muoto voi, kun katsotaan poikkileikkausta pituussuunnassa, olla ympyränmuotoinen, ovaali, neliö, suorakulmio tai ainakin kahden näiden muotojen yhdistelmä tai joku muu muoto niin, että muoto on ainakin osittain kaareva. Putki on yksi edullinen kappaleen muoto, mutta muut kappaleen muodot ovat myös edullisia. Kappaleen suljettu muoto pituussuunnassa aikaansaadaan edullisesti hitsaamalla, mutta muita mekaanisia liittämismenetelmiä voidaan käyttää. Kappale voi myös pituussuunnassa olla ainakin osittain avoin. Edelleen kappaleessa voi olla ainakin kaksi ainakin osittain kaarevaa aluetta seuraavana toisiinsa nähden pituussuunnassa tai vierekkäin toisiinsa nähden poikittaissuunnassa, jotka alueet yhdistetään toisiinsa olennaisesti litteällä osalla vaakasuuntaisessa tai pystysuuntaisessa tai kallistetussa asennossa yhdistettäviin alueisiin.

Keksinnön mukaisesti austeniittista ruostumatonta teräsnauhaa ensin kylmä-valssataan edistämään martensiittifaasin muodostumista mikrorakenteeseen. Valssausmuokkausaste on välillä 5-50 %, edullisesti välillä 10-30 %. Valssauksen jälkeen martensiitin osuus nauhassa on välillä 10-50 %, edullisesti välillä 15-35 %, ja loppu on muokattua austeniittifaasia. Kylmävalssattu kaksi-faasinen teräsnauha muotoillaan sitten halutun kappaleen muotoiseksi, joka on ulkoisesti ja/tai sisäisesti ainakin osittain kaareva. Kappaleen muotoilun aikana nauhan eri alueet muokkautuvat eri muokkausastein ja martensiittipitoisuus on suhteellinen muokkausasteeseen nähden. Esimerkiksi, jos muotoiltu kappale on putki, putken sisäalueet ovat muokkautuneet enemmän kuin putken ulkoalueet ja tapauksessa, jossa kappaleen poikkipinta pituussuunnasta katsottuna on neliömäinen, neliömäisen kappaleen kulmat ovat enemmän muokkautuneet neliömäisen kappaleen suorat alueet. Kappaleen enemmän muokkautuneet alueet, joissa martensiittipitoisuus on 30 - 60 %, edullisesti 40 - 50 %, edelleen muokkauslujittuvat. Kappaleen vähemmän muokkautuneille alueille, joissa mar-tensiittia on vähemmän kuin 30 %, suoritetaan keinovanheneminen joko rever-siohehkutuksen aikana tai erillisen keinovanhenemiskäsittelyn aikana rever-siohehkutuksen aikana. Silloin kun erillinen keinovanhenemis-hehkutuskäsittely edullisesti suoritetaan, käsittely suoritetaan koko kappaleelle. Erillinen keinovanhenemishehkutus takaa keinovanhenemisen ja olennaisesti tasaiset mekaaniset ominaisuudet tarvittaessa yli kappaleen poikkipinnan.

Muotoillun kappaleen reversiohehkutus aiheutetusta martensiitista takaisin austeniitiksi suoritetaan lämpötila-alueella 500 - 900 °C, edullisesti 700 - 800 °C 5 - 60 sekunnissa, edullisesti 10-20 sekunnissa. Erillinen keinovan-henemiskäsittely suoritetaan edullisesti reversiohehkutuksen jäähdytysvai-heessa lämpötila-alueella 100 - 450 °C 1 - 60 minuutissa, edullisesti lämpötila-alueella 150 - 250 °C 5 - 20 minuutissa ja vielä edullisemmin lämpötila-alueella 160 - 200 °C 10 - 15 minuutissa. Erillinen keinovanhenemiskäsittely voidaan myös suorittaa kun reversiohehkutettu kappale ensin jäähdytetään huonelämpötilaan ja sitten kuumennetaan haluttuun lämpötilaan keinovanhe-nemista varten.

Esimerkki 1

Austeniittisesta ruostumattomasta teräslaadusta 1.4318 (AISI 301LN) valmistettu nauha, joka sisältää 17,7 paino-% kromia ja 6,5 paino-% nikkeliä sekä 0,02 paino-% hiiltä raudan lisäksi käsiteltiin keksinnön mukaisesti aikaansaamaan parannettu muokattavuus ja korkea lujuus. Austeniittista nauhaa ensin kylmä-valssattiin käyttäen 15 %:n muokkausastetta muodostamaan martensiittia niin, että nauhan mikrorakenne on kaksifaasinen sisältäen noin 30 % martensiittia ja loput austeniittia.

Kaksifaasista nauhaa edelleen valssattiin putken muotoon niin, että nauhan vastakkaiset reunat yhdistettiin toisiinsa hitsaamalla. Täten keksinnön mukaisesti jatkokäsiteltävässä putkessa on ainakin yksi alue, joka on ulkoisesti ja sisäisesti kaareva. Kaksifaasinen putki kuljetettiin lämpötilassa 700 °C tapahtuvaan reversiohehkutukseen hehkutusajan ollessa 10 sekuntia. Tämän rever-siohehkutuksen jälkeen putken enemmän muokkautuneilla alueilla on hienojakoinen, tiivis ja muokkautuva ja taivutusjännitys yltää tasolle 1000 - 1200 MPa.

Valinnaisesti reversiohehkutetulle putkelle suoritetaan keinovanheneminen lämpötilassa 170 °C 10 minuutissa parantamaan putken vähemmän muokkautuneiden alueiden ominaisuuksia, kun taivutusjännitys yltää tasolle 1000 -1200 MPa.

Esimerkki 2

Ruostumatonta teräsnauhaa, jonka kemiallinen koostumus sisälsi 17,5 paino-% kromia, 6,5 paino-% nikkeliä, 1,11 paino-% mangaania, 0,14 paino-% typpeä ja 0,026 paino-% hiiltä raudan ja ei-määriteltyjen epäpuhtauksien lisäksi, kylmä-muokattiin valssaamalla 9 %:n paksuusreduktiolla. Tässä vaiheessa alkuperäinen venymisraja kasvoi 360 MPa:sta 650 MPa:han. Kylmämuokatun materiaalin murtovenymä oli A50 = 32 %.

Kylmämuokattua nauhaa muotoiltiin putkimaiseksi kappaleeksi, jonka poikkileikkaus oli suorakulmainen pituussuunnassa, ja paikalliset muokkaukset tekivät kappaleen osittain martensiittiseksi. Mitatut martensiittiosuudet olivat 3-50 % riippuen vallitsevasta paikallisesta muokkauksesta. Korkein muokkaus ja korkeimmat martensiittiosuudet olivat putkimaisen kappaleen kulmissa.

Nopea 1 sekunnin lämpökäsittely lämpötilassa 850 °C oli riittävä martensiitti-austeniittireversiolle elvyttämään mekaaniset ominaisuudet. Lopullinen veny-misraja 980 MPa ja murtovenymä A10 = 42 % aikaansaatiin kappaleen eniten muokkautuneille kulmille.

Säätämällä varsinaista lämpökäsittelyä vähemmät muokkautuneet putkimaisen kappaleen osat keinovanhennettiin samanaikaisesti reversiohehkutuksen kanssa. Näillä kappaleen osilla lämpötila oli alle 450 °C ja lujuuden kasvua aikaansaatiin. Tässä tapauksessa erillistä keinovanhenemista ei nähty tarpeelliseksi, mutta kun vielä parempia mekaanisia ominaisuuksia halutaan, erillistä keinovanhenemista 170 °C:ssä voitaisiin käyttää.

Claims (16)

1. Menetelmä muokattavan, korkealujuisen austeniittisen ruostumattoman te-räskappaleen valmistamiseksi austeniittisesta ruostumattomasta teräsnauhas-ta, jossa menetelmässä nauhaa kylmämuokataan martensiitin muodostumisen edistämiseksi nauhan mikrorakenteeseen, ja kaksifaasisen mikrorakenteen omaavaa nauhaa edelleen käsitellään, tunnettu siitä, että nauha muotoillaan halutuksi kappaleeksi, jossa on ainakin yksi kaareva alue ja kappaleen muotoilun aikana nauhan eri alueita muokataan erilaisilla muokkausasteilla martensiit-tipitoisuuden ollessa suhteellinen muokkausasteeseen nähden, ja haluttua kappaletta reversiohehkutetaan palauttamaan martensiitti takaisin austeniitti-muotoon ja lujittumisefekti aikaansaadaan olennaisen hienojakoisen mikrorakenteen avulla ainakin kappaleen kaarevalla alueella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rever-siohehkutus lämpötila-alueella 500 - 900 °C 5 - 60 sekunnissa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rever-siohehkutus lämpötila-alueella 700 - 800 °C 10-20 sekunnissa.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lujittumisefekti aikaansaadaan muokkauslujittumisella.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lujittumisefekti aikaansaadaan keinovanhenemisella.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keinovan-heneminen suoritetaan lämpötila-alueella 100 - 450 °C 1 - 60 minuutissa.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keinovan-heneminen suoritetaan lämpötila-alueella 150 - 250 °C 5 - 20 minuutissa.

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keinovan-heneminen suoritetaan lämpötila-alueella 160-200 °C 10-15 minuutissa.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 5-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lujittumisefekti aikaansaadaan keinovanhenemisella rever-siohehkutuksen aikana.

10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 5-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lujittumisefekti aikaansaadaan keinovanhenemisella rever-siohehkutuksen jälkeen.

11. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kappaleen poikkipinta pitkittäissuunnassa on ympyräinen.

12. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kappaleen poikkipinta pitkittäissuunnassa on ovaali.

13. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kappaleen poikkipinta pitkittäissuunnassa on neliömäinen.

14. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kappaleen poikkipinta pitkittäissuunnassa on suorakul-miomainen.

15. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kappaleen poikkipinta pitkittäissuunnassa on ainakin kahden ympyräisen, ovaalin, neliömäisen tai suorakulmiomaisen muodon yhdistelmä.

16. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nauhamateriaali sisältää pääkomponentteina raudan lisäksi 15-22 paino-% kromia ja 1-10 paino-% nikkeliä ja 0,5-20 paino-% mangaania.