FI73467C - Foerfarande att tillverka ett sjaelvanloepande staol. - Google Patents

Description

1 73467

Menetelmä itsepäästävan teräksen valmistamiseksi

Keksintö liittyy teräksen valmistusmenetelmään, joka teräs soveltuu jousien, erikoisesti ajoneuvojen lehtijousien valmistukseen. Menetelmä on ennen kaikkea tunnettu siitä, että kyseessä on helposti työstettävä alhaisen hiilipitoisuuden omaava hiiliteräs, johon on lisätty booria parantamaan teräksen täydellistä karkaisua sekä tekemään se itsepäästäväksi.

Vaimentamaan lähinnä iskuvoimia ajoneuvoissa käytetään niissä joustavia laitteita, kuten kierukkajousi a ja lehti jousi a.

Kierukkajouset valmistetaan usein pyöreästä aineesta ja käytetyn teräksen jousto-ominaisuus saadaan aikaan kylmätyöstä-mällä, ennen kaikkea aineen vetämisellä. Ajoneuvoihin, joiden pyöriin kohdistuva rasitus on alhainen, nämä kierukkajouset soveltuvat hyvin. Raskaampiin ajoneuvoihin käytetään jousia, joilla on suurempi poikkileikkauspinta, kuten erimuotoisia lehti jousi a. Lehti jousi 11a on, monien muiden etujen lisäksi, se ominaisuus, että jousen stabiliteetti muissa liikkumissuunnissa, paitsi tarkoitetussa joustamissuunnassa, on suuri.

Koska lehtijousien voimamomentti on suurin niiden keskiosassa, halutaan siihen kohtaan suurin poikkileikkauspinta. Tämä voidaan ratkaista useammalla tavalla. Jousilehti voidaan muotoilla niin, että se on keskikohdastaan levein ja kapenee päiden suuntiin. Tämä jousimuoto on tilaa vievä sekä aiheuttaa valmistuksessa suurta ainehukkaa. Jousilehti voidaan keskiosastaan tehdä paksummaksi. Näitä jousia nimitetään usein parabolisiksi lehtijousiksi, ja ne ovat viime aikoina esittäneet yhä tärkeämpää osaa. Paraboliset lehtijouset vaativat verrattain pienen tilan, mutta niiden valmistus on sen sijaan kallista. Tavallisin 1 ehti jousi tyyppi on ns. kerrostettu leh-tijousi, ja ennen kaikkea se tyyppi, joka valmistetaan latta-kangesta, joka katkotaan eri pituisiin pätkiin ja ladotaan päällekkäin. Ylin lehti on pisin ja molemmissa päissään va- 2 73467 rustettu kiinnitysrenkaal1 a. Lehtien pituus pienenee keskustaa kohti, ja koko lehtipaketti pysyy koossa toisaalta sen keskustan läpi vedetyllä sokalla sekä toisaalta muutamilla paketin ympäri keskustan ja kiinnitysrenkaiden väliin asetetuilla länkiraudoilla. Näiden jousien valmistuskustannukset ovat kaikkein huokeimmat. Johtuen lehtien välisestä kitkasta aiheutuu jousiin myös hystereesi, joka vaikuttaa vaimentavas-ti jousitukseen. Jousien valmistuksessa asetetaan käytettävälle teräsainekselle korkeat vaatimukset toistettavuuden suhteen, jotta jousissa vältyttäisiin epäsymmetrialta. Dimensioiden pienen poikkeaman lisäksi vaadiaan myös pieni ominaisuuksien poikkeama teräksessä.

Jousiin käytettävän teräksen olennaiset ominaisuudet ovat korkea kimmoraja sekä korkea väsymysraja.

Jousi aineksen energianvarastoimisteho on verrannollinen kim-morajan neliöön (R ). Kimmorajalla tarkoitetaan sitä suurinta ominaiskuormitusta, jolla ainetta voidaan rasittaa, jotta se palautuu 1ähtöasentoon ilman, että aine deformoituu. Monissa teräksissä ovat kimmorajan ja venymisrajan arvot lähes samat.

Väsymysraja seuraa periaatteessa kimmorajaa, mutta on lisäksi ennen kaikkea riippuvainen rakenteen homogeenisuudesta sekä pinnan laadusta, ja sille on suotuisa sileä pinta, joka on V·;. hi i 1 i katokerrostumi sta sekä vioista, kuten kuonaonte-1 oi s ta ym.

Normaalisti karkaisua ja päästöä käytetään keinona mm. kimmorajan korottamiseen, varsinkin karkeissa teräsaineissa. Tällöin tulee käyttää 1äpikarkaistavaa terästä, ts. terästä, jonka koostumus on sovitettu aineen paksuuteen nähden niin, että jäähdytettäessä martensiitti tunkeutuu aina poikkipinnan keskustaan asti. Karkaisun jälkeen aines päästetään, tavaili- 3 73467

O

sesti noin 400-500 C lämmössä määrätyn sitkeyden saavuttamiseksi. Valitettavasti kimmoraja kuitenkin alenee tästä päästöstä johtuen.

Tähän mennessä ovat jousi teräksen verrattain korkeat hiilipitoisuudet olleet tärkein apukeino korkean kimmorajan saavuttamiseksi. Karkenevuus lisääntyy myös hiilipitoisuuden kasvaessa .

Teräksistä, joita tällä hetkellä käytetään jousissa, voidaan mainita SS 2090 sekä SS 2230. Merkinnät ovat peräisin standardista Svensk Standard.

SS 2090 sisältää 0,52 - 0,60 % C ja 1,5 - 2,0 % Si. Korkean Si-arvon ansiosta saavutetaan korotettu 1äpikarkenevuuskyky. Mutta Si 1ejeerausaineena on tällä hetkellä kallista.

SS 2230 sisältää 0,48 - 0,55 % C, hieman korotetun piipitoisuuden sekä 0,70 - 1,00 Mn, 0,90 - 1,20 % Cr ja 0,10 - 0,20 % V. Tätä terästä käytetään järeämpiä jousia varten. Korotettu pii-, mangaani- ja kromipitoisuus lisää ennen kaikkea karke-nevuutta, kun sen sijaan vanadiinia lisätään kiderakenteen hienontamisen vuoksi.

Terästä on 1 ejeerauslisäaineiden vuoksi kallista valmistaa.

Se on sitäpaitsi suhteellisen vaikeasti työstettävissä leik-kaavassa ja lävistävässä poraus- tai meistotyössä, kuten porattaessa reikiä lehtien läpi jousipaketin koossapitämistä varten. Molemmilla nyt mainituilla teräksillä on myös olemassa vaara pinnan hiilikatoon, mikä mm. alentaa väsymisrajaa.

Nyt on osoittautunut, että kyetään valmistamaan sekä halvalla että tehokkaasti ainetta jousia varten lisäämällä pieniä määriä booria, ja ennen kaikkea pitämällä huolta siitä, että boorin suotuisat ominaisuudet tulevat oikeuksiinsa teräksessä. Eräs huomattava boori 1isäyksen etu on se, että teräs voidaan 4 73467 tehdä itsepäästäväksi, ts. normaali sti karkaisuprosessin jälkeen ei ole tarpeen suorittaa erillistä päästöä.

Keksintöä tullaan selostamaan tarkemmin liitteenä olevissa vaatimuksissa, joista käyvät ilmi keksinnön olennaiset tunnusmerkit, sekä seuraavassa jaksossa.

On osoittautunut edulliseksi valita keksinnön lähtömateriaaliksi seostamaton hiiliteräs, jonka koostumus on seuraava: C = 0,20 - 0,40 %

Si = 0,20 - 0,35 %

Mn = 1,0 - 1,3 % S = maksimi 0,040 % P = maksimi 0,040 %

Cr = maksimi 0,60 % ja joka tämän lisäksi sisältää normaalisti esiintyviä ja hyväksyttäviä epäpuhtauksia. Teräksen tulee myöskin sisältää pieniä määriä booria, sekä mahdollisesti titaania. Määrät tullaan spesifioimaan tarkemmin seuraavassa.

Pienillä boorimääri 11 ä on hyvin suotuisa vaikutus, etenkin karkenevuuteen ja siten luonnollisesti kimmorajaan.

Vertailtaessa erilaisten terästen karkenevuutta on tapana käyttää seuraavaa kaavaa:

_ Λ Si Mn Cu Ni Cr Mo V

P =C+ — + — + — + — + — + — + — + 5 x B

C 30 20 20 60 20 15 10 jossa eri 1ejeerausaineet ilmaistaan esimerkiksi painoprosenteissa. Mitä korkeampi P^ sitä parempi karkenevuus. Kuten ilmenee, on hiili- ja varsinkin booripitoisuudel 1 a huomattava vaikutus. Tämän lisäksi on osoittautunut, että boori-pitoisuuden ollessa 0,002 - 0,004 % vaikutus on kaikkein edullisin. Korkeampi pitoisuus saattaa esimerkiksi tehdä teräksen hauraaksi karkaisussa. Hyvän jousi teräksen aikaan-

II

5 73467 saamiseksi on edellytyksenä, että P ei vaihtele paljon 0 valmiin teräksen eri osissa, eikä myöskään eri masuunisula-tusten kesken. On osoittautunut, että sopivan P^-arvon jou-siteräkselle tulee pysytellä 0,28 ja 0,36 välillä vaihdelleen uuni panoksissa sekä niiden kesken enintään 0,05.

Kuten kaavasta ilmenee, voidaan booria lisäämällä myös C-pitoisuus pitää alhaisempana kuin tavanomaisessa jousiteräk-sessä. Tämä alentaa tietenkin teräksen hintaa, samalla kun sen pinta ei ole niin altis hii1ikadol1 e, joka alentaa väsy-mysrajaa. Lisäksi voidaan tätä booripitoista terästä, jonka hiilipitoisuus on alhainen, helposti työstää leikkaavilla ja meistaavilla välineillä, myös kuumavalssattuna sekä hehkutta-mattomassa tilassa, sitävastoin kun tavanomainen jousiteräs korkean hiilipitoisuutensa vuoksi ensin tulee hehkuttaa tai työstää kuumassa tilassa. Pehmennyshehkutuksessa lisääntyy myös vaara hiilikatoon teräksen pinnassa.

Boorilisäys tekee teräksen itsepäästäväksi, ts. jousiin tarvittava sitkeys saavutetaan välittömästi karkaisun jälkeen. Esimerkkinä voidaan mainita, että mitatut sitkeysarvot (char-py W) huoneenlämmössä vaihtelevat 25 ja 35 J välillä. Sovellutuksissa alhaisissa lämpötiloissa ja missä vaatimukset yhdenmukaisten mekaanisten ominaisuuksien suhteen ovat erittäin , . o kovat, voidaan päästö suorittaa maksimi 300 C:ssa, edu11 ίο sesti maksimi 230 C:ssa, kohottamaan siten iskusitkeyttä tai tasoittamaan aineen ominaisuuksia. On osoittautunut, että jos terässulassa ennen kaikkea vähennetään vetyä ja happea, niin boorin vaikutus tulee enemmän esiin. Terästä mainittuun tarkoitukseen valmistetaan edullisimmin happikaasukonvertte-rissa. AIaspuhal1usmäärää sekä puhal1usputken käyttöä tulee kuitenkin säätää niin, että teräksen typpipitoisuus laskettaessa ei ylitä 20 ppm. Tosiasiassa tämä typpipitoisuusraja on liian korkea ollakseen hyväksyttävissä, mutta käytännöllisistä syistä ei päästä paljoakaan alempiin lukemiin. Happipitoisuus on myös liian korkea. Näitä määriä voidaan alentaa hyväksyttäviin tasoihin, esimerkiksi tyhjökäsittelyl1ä, alu- 6 73467 miiηΐΊΐsäyksel1ä sekä lisäämällä titaania ennen boorin lisäystä .

Tyhjöprosessi tekee mahdolliseksi sekä alhaisen happipitoisuuden saavuttamisen kaasunpoiston ja kuonaerotuksen avulla, että säätötekniikan toteuttamisen, jolla typenotto ilmasta minimoidaan. TyhjÖdesoksidaation jälkeen pelkistetään teräs edelleen tavanomaiseen tapaan lisäämällä alumiinia niin, että vapaan hapen enimmäisarvo sulatuserässä on maksimi 40 ppm, edullisesti 15-20 ppm. Happipitoisuusraja määräytyy osittain siitä, että vapaa happi vaikuttaa haitallisesti teräksen laatuun, sekä osittain siitä, että titaanin kemiallinen yhty-mistaipumus happeen on suurempi kuin jäljellä olevaan typpeen, jota sen on tarkoitettu sitovan.

Boori on hyvin herkkä typelle, ja prosessin kulusta huolimatta jää aina osa typpeä jäljelle. Titaania lisäämällä yritetään parhaiten saattaa sulatuserässä esiintyvä typpi vaarattomaksi sitomalla se titaaninitriitiksi. Sopivaksi lisättäväksi titaanipitoisuudeksi on osoittautunut 0,015 - 0,050 paino-% ja edullisesti 0,020 - 0,045.

Kokemuksen perusteella on todettu, että lehtiterästä varten keksinnön mukaan tulee typpi oi toisuuden ja titaanipitoisuuden välinen tulo, ilmaistuna painoprosentteina sulatuserästä - 4 (Ti x N), mieluimmin olla 4 x 10 alapuolella. On varmempaa ratkaista ti taanimäärän annostus sulaan ottamalla huomioon tämä tosiseikka.

Eräs epäkohta on, että prosessissa kehittyneet titaaninitrii-tit muodostavat sulkeutumia, jotka saattavat vaikuttaa teräksen ominaisuuksiin mm. 1eikattavuuteen ja väsymyslujuuteen.

I) 7 73467

Jotta vältyttäisiin tältä sivuvaikutukselta, tulee teräksen typpipitoisuuden olla niin alhainen kuin suinkin.

Tyhjökäsittelyn jälkeen teräs valetaan jatkuvavalui aitoksessa, joka on varustettu vaiunsuojajärjestelmäl1ä, ts. jossa vir-taavaa sulaa ympäröi keraaminen suojaputki tai muu suojus siten, että terässula kulun aikana ei saa kosketusta ilmaan. Täten vältetään välitön teräs/i1ma-kosketus, joka saattaa aiheuttaa typen ja hapen joutumista teräkseen. Tarvittaessa käytetään suojailmakehää.

AIasvalssauksei 1 a, sitten kun sula on valettu vaissattavaksi tuotteeksi, on myös huomattava vaikutus ennen kaikkea lehti-teräksen väsymysrajaan. Poikkipinnan pienentymän tulee olla vähintään 25:1, jotta saataisiin hyvinmuokattu teräs.

Kuonajätteet, jotka siitä huolimatta ovat teräksessä jäljellä, saattavat 1evennysvalssauksen jälkeen olla muuttuneet sellaiseen muotoon, että niiden vaikutus väsymiseen ja lujuuteen yleensä on negatiivinen. Jotta välyttäisiin tältä, voidaan sula esikäsi tel 1ä metallisella kalsiumilla puhaltamalla sitä jauheena sulaan, ensisijassa ns. kaisiumpiin muodossa, joka sisältää vähintään 20 painoprosenttia metallista kalsiumia. Tämä suoritetaan sopivimmin ennen tyhjökäsittelyä. Vaikutuksena on osaksi, että sulfidi kuonan määrä teräksessä minimoituu, osaksi muuttavat jäljellä olevat sulf idi kuonat valssauksen jälkeen muotoaan vähemmän vaarallisiksi pyöreän muotoisiksi. Epäkohtana on, että prosessi saattaa nostaa typpipitoisuutta. Tältä voidaan kuitenkin välttyä tiukasti noudattamalla tavanomaista käytäntöä teräksen valmistusprosessissa, esimerkiksi käyttämällä argonia kantokaasuna puhallettaessa kaisiumpi toista jauhetta, sekä muutoinkin huolehtimalla, että ilmalla ei ole kosketusta sulaan koko prosessin aikana aina siihen asti, kunnes teräs on jähmettynyt.

Claims (2)

8 73467

1. Menetelmä itsepäästävän alhaisen hiilipitoisuuden omaavan hiiliteräksen valmistamiseksi jousia, erityisesti lehtijousia varten, tunnettu siitä, että terässula valmistetaan happikaasukonvertterissa säätämällä aiaspuhal1 usta ja puhal1usputken käyttöä siten, että typpipitoisuus sulassa laskettaessa valusankoon ei ylitä 20 ppm sekä, että sulan analyysi muutoin on: C = 0,20 - 0,40 painoprosenttia Si = 0,20 - 0,35 Mn = 1,0 - 1,3 S = maksimi 0,040 P = maksimi 0,040 -"-Cr = maksimi 0,60 -"- sekä muita normaalisti esiintyviä epäpuhtauksia, jotka tämän jälkeen tyhjökäsitel 1 ään ja alumiinia lisätään sen verran, että sitoutumaton happi laskee maksimi 40 ppm:ään, edullisesti 15-20 ppmrään ja titaani 0,015 - 0,050 painoprosenttiin, edullisesti 0,020 - 0,045 painoprosenttiin sulassa sekä, että titaanipitoisuuden ja typpipitoisuuden tulo ilmaistuna pai- -4 noprosentteina ei ylitä 4 x 10 , ja että lopuksi lisätään booria 0,002 - 0,004 painoprosenttiin asti, jonka jälkeen sulalle suoritetaan jatkuvavalu terässulan olematta kosketuksissa ilman kanssa, ja materiaali kuumavalssataan siten, että kokonaispoikki1 eikkauksen pienentyminen ei alita 25:1.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ennen tyhjökäsittelyä sulaan puhalletaan kalsium-piitä, joka sisältää vähintään 20 painoprosenttia metallista kalsiumia.