FI84370C - Staol. - Google Patents

Description

1 84370

TERÄS

Keksintö kuuluu metallurgian alaan ja kohdistuu niukkaseosteiseen teräkseen, sen valmistukseen ja käyttöön. Teräs soveltuu käytettäväksi erityisesti valaen valmistettavissa, 5 paksuseinäisissä rakenne-elementeissä, jotka liitetään muuhun rakenteeseen hitsaten. Tyypillisiä tällaisia rakenne-elementtejä ovat of fshore-laitteistojen putkiliitokset, laiva- ja satamanosturien kääntökehät, rautatievaunujen telit ja nostovaihteitten raskaat hammaspyörät ja -akselit.

10 Käytettäessä hitsaten koottavissa suurissa rakenteissa valettuja rakenne-elementtejä korvaamaan putkista ja levyistä hitsaten rakennettuja elementtejä saavutetaan valujen vapaan muotoilumahdollisuuden vuoksi mm. seuraavia etuja:

Liitossaumat voidaan siirtää jännityskonsentraatiokoh-15 dista lievemmin kuormitetuille alueille.

Liitoskohdat voidaan siirtää alueille, joissa hitsaus-työ on helposti ja varmasti suoritettavissa ja hitsaustyö helposti automatisoitavissa.

Valukappaleen suunnittelussa voidaan ainetta lisätä 20 rasitettuihin kohtiin ja vähentää lievemmin kuormitetuista kohdista. Täten rakenne-elementti saadaan kevyemmäksi ja toiminnaltaan luotettavammaksi.

Valukappaleissa ei ole lamellirepeilyvaaraa.

Kappale voidaan muotoilla jouheaksi ja jännityskeskit-25 tyrniä eliminoivaksi.

Voidaan toteuttaa ainepaksuuksia, joiden aikaansaanti levy/putki-yhdistelminä on vaikeaa.

Edellä esitetyistä lukuisista eduista huolimatta valettuja rakenne-elementtejä on käytetty suhteellisen vähän. Pää-30 asiallisena syynä on ollut se, että ei ole ollut käytettävissä valuteräksiä, jotka lujuus/sitkeys/hitsattavuus-yh-distelmän puolesta vastaisivat näihin sovellutuksiin käytettyjä muokattuja tuotteita - levyjä, putkia ja takeita.

Tämän keksinnön yleisenä tarkoituksena on aikaansaada te-35 räslaji, jonka sitkeys- ja murtumissitkeysominaisuudet kaikilla lämpötila-alueilla, mutta erityisesti matalissa lämpötiloissa vastaavat saman lujuusluokan muokattuja tuotteita.

Keksinnön tarkoituksen saavuttamiseksi tarvittavat keinot 2 84370 on esitetty patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaisen teräksen minimimyötölujuus on vähintään 540 MPa, ja sitä voidaan säätää aina 750 MPa:iin asti seostusastetta nostamalla. Teräksen sitkeys- ja murtumisomi-5 naisuudet vastaavat saman lujuusluokan muokattuja tuotteita aina n. 200 mm paksuisiin kappaleisiin asti. Muokattuja tuotteita voidaan valmistaa vastaavin ominaisuuksin vain n. 50 mm seinämäpaksuuteen asti.

Terästä voidaan hitsata esi lämmittämättä, eikä hitsauksen 10 jälkeinen lämpökäsittely ole välttämätön. Toisaalta teräs on hitsattavissa myös esilämmittäen ja hitsauksen jälkeen se voidaan myöstöhehkuttaa tai vedenpoistohehkuttaa lujuus- ja sitkeysominaisuuksia heikentämättä.

Lopputuotteessa teräkselle on ominaista mikrorakenne, 15 jonka muodostaa tasainen sälemartensiittis-alabainiittinen rakenne, jonka raerajat ovat käytännöllisesti katsoen vapaat erkaumista ja epämetallisista sulkeumista. Rakenteessa ei esiinny kaasukasaumia eikä kaasurakkuloita. Tällainen tasainen mikrorakenne toteutuu läpi koko valukappaleen poikkipin-20 nan aina 200 mm seinämäpaksuuksiin asti.

Optimoituun mikrorakenteeseen, joka antaa tavoitellun lu-juus/sitkeys/hitsattavuus-yhdistelmän, päästään kemiallisen koostumuksen ja siihen soveltuvan lämpökäsittelyn valinnalla .

25 Kemiallisessa koostumuksessa on oleellista, että hiilipi toisuus on pieni - enintään 0,12 %. Yleensä tunnettujen, tämän lujuusluokan paksuihin valukappaleisiin tarkoitettujen terästen hiilipitoisuus on merkittävästi korkeampi. Pienen hiilipitoisuuden ansiosta ominaistilavuusmuutokset karkai-30 sussa jäävät pieniksi ja täten myös muodonmuutos jännitykset, jotka ovat kylmärepeämän yhtenä edellytyksenä, mitättömiksi. Toisaalta hiilipitoisuudella on edullisesti alaraja 0,06 %. Tämä hiilimäärä estää raerajoille tapahtuvaa epäpuhtauksien atomaarista suotautumista, joka voi pienistä pitoisuuksista 35 huolimatta edistää päästöhaurautta.

Teräksen vetypitoisuus on syytä pyrkiä minimoimaan. Se on parhaiten 5 ppm, sopivimmin enintään 2 ppm. Näin ei hitsauksen yhteydessä esiinny kylmähalkeilua. Lisäksi tällä vetypi- 3 84370 toisuuden rajoituksella estetään vetyrepeämäilmiötä paksujen valukappaleiden sisustassa.

Rikki- ja fosforipitoisuudet ovat hyvin alhaisia: Smax = 0,01 %, Pjnax = 0,012 %. Myös typpipitoisuus on edullisimmin 5 hyvin alhainen, enintään 100 ppm. Näiden epäpuhtauksien rajoituksilla saadaan aikaan se, että käytännöllisesti katsoen millään lämpötila-alueella ei tapahdu sitkeyttä tai hitsattavuutta vaarantavia erkaumia tai suotautumia ja teräs säilyttää sitkeytensä erilaisten metallurgisten historioitten-10 sa jälkeenkin.

Samanlaisen mikrorakenteen ja sen seurauksena lujuus/sit-keys/hitsattavuus -yhdistelmän takaaminen läpi aina 200 mm paksuisten poikkipintojen edellyttää teräkseltä suhteellisen runsasta seostusta. Piin ja mangaanin pitoisuudet on rajoi-15 tettu varsin pieniksi huolimatta niiden merkittävästä karke-nevuuden lisäämiskyvystä. Myös kromipitoisuus on varsin alhainen. Sen sijaan nikkeliä ja molybdeenia on käytetty runsaasti .

Teräkselle on ominaista seuraava seosaineyhdistelmä: 20 Si max 0,6 % Μη max 1 %

Cr 0,5 - 1,5 %

Ni 2 - 5 %

Mo 0,3 - 1 % 25 Valitulla seosaineyhdistelmällä teräksen lujittaminen ha lutulle lujuustasolle tapahtuu ensisijaisesti liuoslujittu-misen kautta eikä niinkään martensiittimuutoksen kautta. Tämä jälkimmäinen mekanismi on tyypillistä tunnetuille tämän lujuusluokan valuteräksille.

30 Suhteellisen runsaasta seostuksesta huolimatta teräs vaa tii lämpökäsittelynä nuorrutuksen, jonka karkaisu edellyttää liuotushehkutuksen jälkeen vesi sammutusta. Tämä voidaan kuitenkin tällä teräksellä suorittaa ilman repeilyvaaraa muodoltaan monimutkaisiakin kappaleita käsiteltäessä, sillä 35 pienen hiilipitoisuuden vuoksi martensiittimuodostuksen omi-naistilavuuden muutokset jäävät hyvin pieniksi ja syntyvät jännitykset eivät kohoa lähellekään teräksen murtorajaa.

Keksityssä teräksessä ei käytetä oleellisesti mikroseos- 4 84370 aineita kuten titaania, vanadiinia, niobia, booria tai zirkoniumia, jotka ovat tyyppillisiä vastaavan lujuusluokan tunnetuissa hitsattavissa muokatuissa teräksissä.

Mikroseosainepitoisuudet on rajattu seuraaviin maksimi-5 arvoihin:

Nb 0,02 %

Ti 0,02 % V 0,03 %

Zr 0,02 % 10 B 0,003 %

Kaikki edellä esitetyt pitoisuudet tarkoittavat lopputuotteen pitoisuuksia.

Keksinnön mukaista terästä voidaan valmistaa kaksivaiheisella sulatusprosessilla: 15 1. Sulatuksen ensimmäinen vaihe suoritetaan normaalissa ilmavalokaariuunissa, joissa normaalein kuonausprosessein ja tavanomaista sulatusprosessia pitemmälle viedyin happipuhal-luksin sulasta teräksestä poistetaan rikki, fosfori, pii ja mangaani hyvin pieniin pitoisuuksiin. Samalla poistuu myös 20 hiiltä ja kromia merkittäviä määriä. Tässä valokaariuunivai-heessa teräksen kaasupitoisuus erityisesti typen ja hapen suhteen voi olla hyvin korkea.

2. Toisessa vaiheessa valokaariuunissa sulatettu teräs tyhjökonvertteriin siirrettynä läpikäy lyhyen happipuhallus-25 vaiheen, jolla varmistetaan haitallisten epäpuhtauksien matala pitoisuustaso. Tämän jälkeen täsmätään haluttujen alku-aineitten pitoisuus tavoiterajoihin lisäämällä puhtaita seosaineita. Tässä vaiheessa teräksen kaasupitoisuus saattaa olla suuri.

30 Seostuksen ja haitallisten epäpuhtauksien jälkeen poiste taan sulasta haitalliset kaasut imemällä konvertteritilaan syvä tyhjö (alle 5 mbar, parhaiten alle 2 mbar) ja sekoittamalla terässulaa samanaikaisesti sulan alta tapahtuvan puhtaan argonin puhaltamisen avulla. Tämän prosessivaiheen ai-35 kana teräksestä poistuvat happi, typpi ja vety em. painetta vastaaviin tasapainopitoisuuksiin, jotka ovat niin pienet, että niillä ei ole heikentävää vaikutusta jähmettyneen teräksen ominaisuuksiin.

5 84370

Valetulle kappaleelle suoritetaan nuorrutuskäsittely, johon kuuluu vesikarkaisu noin 900 °C lämpötilassa, päästö n. 600 °C lämpötilassa sekä ilma jäähdytys huoneenlämpötilaan. Näin kappaleelle saadaan tyypillisesti 100 - 300 J:n KV— 5 iskusitkeys -40 °C ja -60 °C lämpötiloissa aina 200 mm sei-nämänpaksuuksi in asti. Mikrorakenne on tasainen sälemarten-siittisbainiittinen läpi koko seinämän.

Terästä voidaan hitsata kylmänä eikä sitä tarvitse hitsauksen jälkeen lämpökäsitellä, kun hitsausenergia pidetään 10 välillä 10 - 35 kJ/cm. Hitsin muutosvyöhyke täyttää perusaineen minimivaatimukset eikä muutosvyöhykkeessä esiinny kylmähalkeamia, mikäli itse hitsin vetytaso ei ylitä 10 ppm:ä.

Claims (10)

1. Niukkaseosteinen valuteräs tunnettu siitä, että varsinaisia seosaineita ovat nikkeli, molybdeeni ja 5 kromi ja niiden pitoisuudet ovat Ni 2,3 - 2,7 Mo 0,3-0,5 Cr 1 1,5 piin ja mangaanin pitoisuudet ovat 10 Si max0,3% Mn max 0,5 % hiilipitoisuus on C max 0,12 % mikroseosaineiden niobin, titaanin, vanadiinin, zir-15 koniumin ja boorin pitoisuudet ovat Nb max 0,02 % Ti max 0,02 % V max 0,03 % Zr max 0,02 % 20. max 0,003 % epäpuhtauksien rikin ja fosforin pitoisuudet ovat S ma x 0,01 % P max 0,012 % ja että vety ja typpipitoisuudet ovat 25 H max 5 ppm N max 100 ppm

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen teräs tunnettu siitä, että mikroseosaineiden pitoisuudet ovat Nb max 0,01 %

30 Ti max 0,01 % V max 0,02 % Zr max 0,01 % B max 0,002 %

3. Jonkin patenttivaatimuksen 1-2 mukainen teräs 35 tunnettu siitä, että epäpuhtauksien pitoisuudet ovat S max 0,005 % P max 0,01 %

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen teräs V 84370 tunnettu siitä, että hiilipitoisuus on C max 0,10 %

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen teräs tunnettu siitä, että vety ja typpipitoisuudet ovat 5. max 2 ppm N max 60 ppm

6. Menetelmä niukkaseosteisen valuteräksen valmistamiseksi tunnettu siitä, että valmistetaan jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukaista terästä kaksivaiheisella 10 sulatusprosessi11a, jossa ensimmäisessä vaiheessa poistetaan jähmettyneessä tilassa kiinteänä esiintyvät epäpuhtaudet sallien teräksen kaasupitoisuuden voimakas nousu ja toisessa vaiheessa seostuksen täsmäyksen jälkeen pois-15 tetaan syvän tyhjön ja inerttikaasusekoituksen avulla.

6 84370

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että tyhjö on alle 5 mbar.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että tyhjö on alle 2 mbar.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 6-8 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että toisessa vaiheessa terässulaa sekoitetaan puhaltamalla siihen altapäin argonia.

10. Menetelmä teräskappaleiden valamiseksi niukkaseosteisesta valuteräksestä tunnettu siitä, että valetaan 25 kappale jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukaisesta tai jonkin patenttivaatimuksen 6-9 mukaisesti valmistetusta teräksestä, karkaistaan se noin 900 °C lämpötilassa vesikar-kaisulla, päästetään noin 600 °C lämpötilassa ja ilmajäähdy-tetään huoneenlämpötilaan siten, että lopputuotteen mikro-30 rakenne on oleellisesti sälemartensiittisbainiittinen. 8 84370