FI128299B

FI128299B - Menetelmä ylieutektoidisen terästuotteen valmistamiseksi termomekaanisella käsittelyllä

Info

Publication number: FI128299B
Application number: FI20185698A
Authority: FI
Inventors: Heimo Roselli
Original assignee: Roselli Oy
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2020-02-28
Also published as: EP3617333A1; FI20185698A1

Abstract

Keksinnön kohteena on menetelmä niukkaseosteisen ylieutektoidisen terästuotteen valmistamiseksi termomekaanisella käsittelyllä, jossa - valitaan tai tuotetaan lisäainevapaa rautaraaka-aine, - lisätään rautasulaan hiiltä pitoisuuteen 0,8-2,0 %, - valetaan aihio nopeasti jäähdyttäen karbidiytimien synnyttämiseksi pienikokoisina ja tasaisesti jakaantuneina, - suoritetaan syklaus, jossa muokkauksen aloituslämpötila sovitetaan noin 800°C:een, aina A1 rajan yläpuolelle ja - muokataan lopulliseen muotoon - aihio karkaistaan nopealla suolavesijäähdytyksellä.

Description

Menetelmä ylieutektoidisen terästuotteen valmistamiseksi termomekaanisella käsittelyllä

Keksinnön kohteena on menetelmä niukkaseosteisen ylieutektoidisen terästuotteen valmistamiseksi termomekaanisella käsittelyllä, jossa • valitaan tai tuotetaan rautaraaka-aine, ίο · lisätään rautasulaan hiiltä pitoisuuteen 0,8-2,0 %, • valetaan aihio, • suoritetaan syklaus, jossa muokkauksen aloituslämpötila sovitetaan noin 800 °C:een, aina A1 rajan yläpuolelle ja • aihio karkaistaan.

Nykyään käytetään runsashiilisiä teräksiä aina n. 2,0 %:n hiilipitoisuuteen saakka. Suurilla hiilipitoisuuksilla saadaan teräkseen suuri kovuus, mutta haurauden kustannuksella. Tavallinen runsashiilinen hiiliteräs, jonka hiilipitoisuus 20 on n. 1,4 % saa karkaisussa Rockwell C-asteikolla kovuuden n.70. Tällainen teräs on myös siinä esiintyvien karbidien ansiosta hyvin kulutuskestävää, mutta kuitenkin niin haurasta, että sillä on hyvin rajoitetut käyttömahdollisuudet. Käyttökohteita ovat tyypillisesti mm. vetotyökalut, leikkaavat terät, jotka eivät joudu iskurasituksille eivätkä kovalle kuumenemiselle alttiiksi ja partaterät.

Tällaisilla kovuusarvoilla olisi moniakin käyttökohteita, jos teräs saataisiin sitkeämmäksi. Tämän keksinnön mukaisilla käsittelytavoilla saadaan niukasti seostetut runsashiiliset teräkset olennaisesti tavallista sitkeämmiksi, ja siten kovien teräslaatujen käytettävyys paranee, ja tämän keksinnön mukaisella 3 0 menetelmällä voidaan valmistaa hyvin käyttökelpoisia teräksiä, joiden hiilipitoisuus on jopa 2 %. Tällaisten hiiliterästen kovuus ja kulutuskestävyys ovat omaa luokkaansa. Ongelma suuren hiilipitoisuuden teräksillä on grafiitin muodostuminen, joka lisäaineilla sitten kerätään karbideihin, kuten kromikarbideihin. Kuvassa 1 on esitetty tavanomaisen hiiliteräksen leikkauskuva. 35 Raerajat ovat selvästi nähtävissä.

”Normalisointi” on tarpeen valuterästuotteille karkean valurakenteen poistamiseksi. Lisäksi sitä käytetään taotuille kappaleille epähomogeenisuuden sekä hitsatuille ja polttoleikatuille tuotteille epätasaisen kuumenemisen 40 aiheuttamien ilmiöiden (mm. rakeenkasvu) eliminoimiseksi. Normalisoinnin avulla

20185698 prh 27-08- 2018 voidaan rakenne saattaa jälleen” hienorakeiseksi” ja samalla palauttaa mekaaniset ominaisuudet ennalleen.

Normalisoinnissa teräs kuumennetaan austeniittialueelle ja pidetään siellä niin kauan, että ”austeniitti” homogenisoituu ja jäähdytetään sen jälkeen ilmassa. Normalisoinnissa saavutetaan seostamattomilla rakenneteräksillä sitkeä ja hienojakoinen ”ferriittis-perliittinen mikrorakenne.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada puhdas, erityisesti lisäainevapaa ίο runsashiilinen terästuote, jolla on hyvät lujuusominaisuudet. Keksinnölle tunnusomaiset piirteet käyvät ilmi patenttivaatimuksista.

Normalisointiin, kuten muihinkin lämpökäsittelyihin, liittyvän austenointihehkutuksen oikea lämpötila on tärkeä. Jos austenointi tapahtuu liian korkeassa is lämpötilassa, on seurauksena rakeenkasvua. Sen takia normaaleilla hiiliteräksillä austenointilämpötila saa olla vain noin 50 °C A3- rajan yläpuolella

Tämän keksinnön tapainen teräksen käsittely on esitetty keksijäntodistuksessa SU 456841, mutta se on sovellettu vain hiilipitoisuuksille yli 2 %. Julkaisu ei 2 0 paljasta myöskään aihion tarkempaa käsittelyä.

Tunnetuista termomekanisista käsittelyistä lähinnä keksinnön mukaista alkukäsittelyä on HTMT-käsittely, jossa 0,5 % hiilipitoiselle aihiolle tehdään, korkealämpötilainen termomekaaninen käsittely.

Keksinnölle tunnusomaiset piirteet käyvät ilmi patenttivaatimuksista. Vaikka kaikki keksinnön vaiheet ovat erikseen tunnettuja, keksintö on tarkasti toteutettava sarja vaiheita, joilla jokaisella on merkityksensä eikä yhtään vaihetta voi jättää pois.

Kalliit seosaineet voidaan välttää - halvoilla aineilla ainutlaatuisen tulokset Seosaineet reagoivat eri tavoin lämpöön ja jotkut ovat myrkyllisiä. Keksinnön mukainen tuote on luonnonmukainen ja siten helppo kierrättää

Keksinnön mukaisessa menetelmässä ylimäärähiili kerätään tasaisesti jakautuneisiin pieniin karbidipesäkkäisiin. Tämä onnistuu nopealla jäähdytyksellä ja pienellä määrällä rikkiä ja/tai fosforia, jotka muodostavat karbidiytimet ”parempien” lisäaineiden puuttuessa. Tasaisesti jakautuneet pienet karbidipeäkkeet osallistuvat syklauksessa muokkaukseen A1 -hilamuutoksen 4 0 lisäksi.

20185698 prh 27-08- 2018

Keksinnön mukainen menetelmä vaatii tosin ammattitaitoa. Aihion kuumamuokkaus tuotteen aikaan saamiseksi tapahtuu kapealla lämpötilaalueella - lyhytaikaisesti ja tarkasti lämmitys noin 800 °C:een. Lämmitystä ei uloteta austeniittiselle alueelle (raja A_cm), mutta Α-ι-raja ylitetään.

Keksinnön mukaisella menetelmällä aikaansaadun tuotteen hitsattavuus erinomainen ja siitä voidaan itsessään tehdä hitsauspuikko.

Tuotteen leikkaavuus erinomainen (höylänterä säilyttää terävyytensä - kiiltävä ίο jälki).

Saadun teräksen lujuus ja sitkeys ovat huippuluokkaa (testikappale 3400 Mpa/ 250 kJ/m₂). Saatua terästä on mahdollista päästää tai nuorruttaa ja parantaa siten sitkeyttä kovuuden kustannuksella. Kuvassa 2 on esitetty erään keksinnön is mukaisen terästuotteen leikkauskuva. Raerajat eivät ole optisesti nähtävissä.

Tämä teräs on korkeaa hiilipitoisuutta lukuun ottamatta koostumukseltaan tavanomainen hienorakeinen hiiliteräs. Seosaineet eivät ole lainkaan tarpeen, sillä keksinnön mukaiset käsittelyt antavat hienorakeisuuden, lujuuden sekä 20 kovuuden. Tärkeintä ominaisuuksille on yhdistetty monivaiheinen lämpö- ja muokkauskäsittely eli termomekaaninen käsittely.

Erään selityksen mukaan hyvin hienojakoisesti ja tasaisesti jakaantuneet karbidit rikkovat syklauksen aikana hilakoppeja, joista vapautuneet atomit siirtyvät

5 raerajoille tukkien ne. Lopputuloksen onnistuminen voidaan tarkistaa sillä, että ovatko raerajat optisesti nähtävissä vai eivät.

Jäähdytetty kappale on austeniitti- + sementiittialueella ja esieutektoidisen karbidin ytimiä syntyy tällöin muokkauksen vaikutuksesta sekä kiteiden sisään

0 että raerajoille. Haitallisten karbidiverkkojen muodostus raerajoille vähenee olennaisesti tästä syystä muokkauksen jatkuessa. Karbidit muodostuvat tasaisemmin sekä kiteiden sisään, että raerajoille.

Raaka-aineena on edullista käyttää pelkästä malmipohjasta tehtyä rautaa, sillä 35 jotkut kiertoromun epäpuhtaudet vaikuttavat haitallisesti prosessin onnistumiseen. Hiilipitoisuus on halutuista ominaisuuksista riippuen 0,8-2,0 %.

Hyvien kuumamuokkausominaisuuksien takia on rikki- ja fosforipitoisuus pidettävä alhaisena, mutta pieni määrä niitä tarvitaan karbidiytimiksi.

0 Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkkien avulla.

20185698 prh 27-08- 2018

Puhtaan terästuotteen valmistaminen termomekaanisella käsittelyllä tarkoittaa tässä sitä, ettei aihio sisällä muuta kuin rautaa ja hiiltä. Tässä raaka-aineen lisäaineiden pitoisuudet ovat hyvin pieniä. Rikkipitoisuus on kuitenkin 0,007 0,038% ja/tai fosforipitoisuus on alueella 0,005 - 0,026 % jotta karbidit 5 syntyisivät edullisiin ytimiin. Alumiini ja pii ovat tässä suhteessa tuhoisia. Niiden pitoisuus pitää olla erittäin vähäinen.

Aluksi valitaan tai tuotetaan vanadium-, volframi-, molybdeeni-, kromi- ja nikkelivapaa rautaraaka-aine, joka kuitenkin sisältää siis pieniä määriä, rikkiä ίο ja/tai fosforia karbidien ytimiksi. On mahdollista valikoida puhdasta romumetallia välttäen haitalliset lisäaineet, voida ei voida mellotuskäsittelyllä poistaa.

Raakamalmin koostumus tunnetaan aina eikä siinä ole hankalia haitallisia yhdisteitä, mellotuskäsittelyllä siitä saadaan ihanteellista raaka-ainetta. Vety pitää is poistaa, jos sitä on raaka-malmissa. Se aiheuttaa vetysulkeumia.

Seuraavassa vaiheessa sulaan lisätään hiiltä pitoisuuteen 0,8 - 2,0 %, edullisimmin 1,6 - 1,9 %. Tämän jälkeen valetaan aihio, joka jäähdytetään nopeasti, 5 kg kappale suolavedellä tai vastaavalla nopeudella, jolloin sanotut 2 o karbidiytimet ovat muodostuneet pienikokoisina ja tasaisesti hajaantuneina.

Valu tehdään melko alhaisessa lämpötilassa, 1500 °C:ssa. Annetaan jäähtyä nopeasti, valun lämpöä ei kuitenkaan voi hyödyntää. Jäähtymisen nopeus saadaan kiinnitettyä siihen, että se on sama kuin 50 mm x 100 mm 25 poikkileikkauksen omaavan 5 kg:n panoksen kokillivalu, ±30%. Jos aihio menee pilalle, se täytyy lämmittää uudelleen yli 1140 °C:een, yleisesti alueelle 1000 1220 °C ja aloitettava käsittely alusta.

Valun jälkeen suoritetaan 5-15 muokkauskertaa syklauksella seuraavasti:

• muokkauksen aloituslämpötila sovitetaan noin 800 °C:een, aina A1 rajan yläpuolelle, • aihion lämpötilaa vaihdellaan A1-rajan ylä- ja alapuolella vähintään viisi 35 kertaa muokaten kuumennettua aihiota, jolloin se jäähtyy A1 rajan alapuolelle ja lämmittämällä aihio uudelleen A1 rajan yläpuolelle, jolloin pinta- ja tilakeskisen hilarakenteen vaihtelu ja karbidien aikaansaama muokkaus aikaansaavat raerajojen poistumista.

Syklauksen jälkeen ja sen aikana aihio muokataan lopulliseen muotoon. Syklauksen aikana A1 rajan yläpuolella, mutta aivan lopuksi A1 rajan alapuolella, jotta ominaisuudet säilyvät. Sitten aihio karkaistaan lopulliseen muotoonsa lämmittämällä se noin 780 °C:een, jonka jälkeen se välittömästi sammutetaan 5 nopeasti, 5 mm x 100 mm poikkileikkauksen omaavat aihiot suolavedellä, ±30%, tai vastaavan jäähtymisnopeuden aikaansaavalla menetelmällä.

kg kappale suolavedellä, tai vastaavan jäähtymisnopeuden aikaansaavalla menetelmällä. Karkaistu aihio voidaan päästää tunnetulla tavalla.

Ohut kappale voidaan sammuttaa myös öljyllä. Riippuu käyttötarkoituksesta ja kappaleen koosta.

Claims

Patenttivaatimukset

20185698 prh 17-06- 2019

1. Menetelmä ylieutektoidisen puhtaan terästuotteen valmistamiseksi termomekaanisella käsittelyllä, tunnettu siitä, että • valitaan tai tuotetaan vanadium-, volframi-, molybdeeni-, kromi- ja nikkelivapaa rautaraaka-aine, joka kuitenkin sisältää pieniä määriä, rikkiä ja/tai fosforia karbidien ytimiksi, • puhtaaseen rautasulaan lisätään hiiltä pitoisuuteen 0,8 - 2,0 % , edullisimmin 1,6-2 %, • valetaan aihio, joka jäähdytetään nopeasti, kuten 50 mm x 100 mm poikkileikkauksen omaavan 5 kg:n panoksen kokillivalu suolavedellä jäähdyttäen, tai vastaavalla nopeudella ±30%, jolloin sanotut karbidiytimet muodostuvat pienikokoisina ja tasaisesti hajaantuneina, • suoritetaan 5-15 muokkauskertaa syklauksella seuraavasti:

• muokkauksen aloituslämpötila sovitetaan noin 800 °C:een, aina A1 rajan yläpuolelle, • aihion lämpötilaa vaihdellaan A1-rajan ylä- ja alapuolella vähintään viisi kertaa muokaten kuumennettua aihiota, jolloin se jäähtyy A1 rajan alapuolelle ja lämmittämällä aihio uudelleen A1 rajan yläpuolelle, jolloin pinta- ja tilakeskisen hilarakenteen vaihtelu ja karbidien aikaansaama muokkaus aikaansaavat raerajojen poistumista, ja jonka syklauksen jälkeen:

• aihio muokataan lopulliseen muotoon edelleen, edullisesti A1 rajan alapuolella, jotta ominaisuudet säilyvät, ja • aihio karkaistaan lopullisessa tuotteen muodossaan lämmittämällä se noin 780 O:een, jonka jälkeen se välittömästi sammutetaan nopeasti, 5 mm x 100 mm poikkileikkauksen omaavat aihiot suolavedellä, ±30%, tai vastaavan jäähtymisnopeuden aikaansaavalla menetelmällä.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että karkaistu aihio päästetään/nuorrutetaan sinänsä tunnetulla tavalla.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että raaka- aineeksi valitaan lisäaineista puhdas malmi, jonka konvertterikäsittelyllä 5 puhdistetaan hiilestä ja epäpuhtauksista.
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että raaka- aineeksi valitaan valikoidut romumetallijakeet, joissa ei ole vanadiumia, volframia molybdeeniä, kromia eikä nikkeliä.
5. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rikkipitoisuus on 0,007 - 0,038 %.
6. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että is fosforipitoisuus on 0,005 - 0,026 %.