FI87471B - Bearbetat staol. - Google Patents

Description

1 87471

Muokattu teräs

Keksintö kuuluu metallurgian alaan ja kohdistuu niukkaseosteiseen muokattuun teräkseen, sen valmistukseen ja käyttöön. Teräs soveltuu erityisesti käytettäväksi kuumavals-5 sattuna, hitsattavana rakenneteräksenä.

Ennestään tunnetaan kuumavalssattuja rakenneteräksiä, joiden minimimyötölujuus ylittää 690 MPa ja jotka on kuuma-• valssauksen jälkeen nuorrutettu lämpökäsittelyllä. Tällainen teräs on esimerkiksi ASTM A S43B (AWS Welding Handbook, 10 Metals and their weldability, 7th edition, voi. 4, 1983).

Sen analyysi on C 0,23 %

Si 0,20 - 0,40 %

Mn 0,40 % 15 P < 0,020 % S < 0,020 %

Cr 1,5 - 2,0 %

Ni 2,6 - 4,0 %

Mo 0,45 - 0,60 % 20 V 0,03 %

Esimerkiksi tämän teräksen heikkoutena on alhainen sitkeys ja lisäksi huono hitsattavuus.

Tämän keksinnön yleisenä tarkoituksena on aikaansaada ; . erikoisluja teräslaji, jonka sitkeys- ja murtumissitkeysomi- 25 naisuudet matalissa lämpötiloissa olisivat riittävät teräksen käyttämiseksi vaativissa meriteknisissä ja koneenraken-nussovelluksissa.

' Keksinnön tarkoituksen saavuttamiseksi tarvittavat kei not on esitetty patenttivaatimuksissa.

30 Keksinnön mukaisen teräksen etuna on suuri lujuus yhdis tyneenä hyvään sitkeyteen ja lisäksi hitsattavuuteen. Suuri lujuustaso mahdollistaa rakenteiden painon alentamisen ja hitsaustyön määrän vähentymisen johtuen ainespaksuuden ohentumisesta. Samalla myös hitsausjännitykset ja hitsauksen 35 aiheuttamat rakenteen muodonmuutokset vähenevät. Teräksen lujuutta voidaan säätää lämpökäsittelyn avulla halutulle tasolle.

Teräksen minimimyötölujuus on vähintään 790 MPa ja lu- 2 87471 juutta voidaan nostaa aina 1000 MPa:iin saakka lämpökäsittelyä ja seostusastetta säätämällä sitkeyden tai hitsattavuuden heikentymättä. Myötölujuus 1000 MPa voidaan saavuttaa aina 50 mm:n ainesvahvuuteen saakka.

5 Teräksen lujuus- ja sitkeysominaisuudet eivät ole riip puvaisia orientaatiosta.

Teräkselle on ominaista seuraava seosaineyhdistelmä:

Ni 4,2 - 5,0 %

Mo 0,3-1,0% 10 Cr 0,5 - 1,0 %

Si 0,10 - 0,60 %

Mn 0,20 - 1,0 %

Nikkeliä ja molybdeeniä on lisätty runsaasti, mutta kro-mipitoisuus on varsin alhainen. Piin ja mangaanin pitoisuu-15 det on rajoitettu suhteellisen alas huolimatta niiden kyvystä lisätä karkenevuutta. Tällä seosaineyhdistelmällä saavutetaan homogeeninen mikrorakenne sekä haluttu lujuus/sit-keys/hitsattavuusyhdistelmä.

Keksinnön mukaisen teräksen lujittuminen tapahtuu pää-20 asiassa liuoslujittumisen eikä niinkään martensiittimuutok-sen kautta. Tunnetuissa tämän lujuustason teräksissä lujuutta pyritään erityisesti nostamaan mikroseostuksen avulla dispersiotyyppisillä erkaumilla ja niiden aikaansaamalla raekoon hienontumisella.

25 Keksinnön mukaisessa teräksessä ei käytetä oleellisesti mikroseostusta, kuten niobia, titaania, vanadiinia, zirkoniumia tai booria. Näiden mikroseosaineiden pitoisuudet on rajattu seuraaviin maksimiarvoihin:

Nb max 0,02 %, sopivimmin max 0,01 % 30 Ti max 0,02 %, sopivimmin max 0,01 % V max 0,03 %, sopivimmin max 0,02 %

Zr max 0,02 %, sopivimmin max 0,01 % B max 0,003 %, sopivimmin max 0,002 %

Kaikki edellä mainitut pitoisuudet tarkoittavat loppu-35 tuotteen pitoisuuksia. Mikroseosaineiden pitoisuuksien rajaaminen näin alas on keksinnön mukaisessa seoksessa olennaista halutun sitkeyden ja hitsattavuuden saavuttamiseksi. Kemiallisessa koostumuksessa on olennaista myös hiilipi- 3 87471 toisuuden rajoittaminen alle 0,12 %:n, parhaiten alle 0,10 %:n. Pienen hiilipitoisuuden ansiosta sekä ominaistilavuu-den muutokset hitsauksessa että myös muodonmuutos jännitykset jäävät pieniksi. Hitsin karenneen alueen kovuus ei myöskään 5 nouse liian korkeaksi. Täten kylmähalkeiluherkkyys on pieni ja muutosvyöhykkeen sitkeystaso korkea. Hiilipitoisuuden alaraja on 0,05 %. Tämä hiilimäärä estää raerajoilla tapahtuvaa epäpuhtauksien atomaarista suotautumista, joka pienistä pitoisuuksista huolimatta edistää päästöhaurautta teräk-10 sen altistuessa lämpötila-alueelle n. 400 - 550°C.

Vetypitoisuus on syytä pyrkiä minimoimaan. Se on parhaiten enintään 5 ppm, sopivimmin enintään 2 ppm. Näin ei hitsauksessa esiinny kylmähalkeilua ja teräksen murtumissit-keys pysyy korkeana.

15 Rikki- ja iosforipitoisuudet ovat hyvin alhaisia: Smax = 0,010 %, sopivimmin 0,005 %, ja Pmax = 0,012 %, sopivimmin 0,010 %. Typpipitoisuus on parhaiten enintään 100 ppm, kaikkein parhaiten enintään 60 ppm. Näiden epäpuhtauksien rajoituksilla saadaan aikaan se, että käytännöllisesti kat-20 soen millään lämpötila-alueella ei tapahdu sitkeyttä tai hitsattavuutta vaarantavia erkaumia tai suotautumia ja teräs säilyttää sitkeytensä erilaisten metallurgisten historioit-tensa jälkeen. Alhainen rikkipitoisuus on erittäin tärkeää pyrittäessä estämään kuumavalssatun levyn poikittaissuuntai-25 siä sitkeysominaisuuksia heikentävien lamellimaisten sulkeumien muodostuminen.

Seoksessa voidaan käyttää myös alumiinia antioksidantti-na. Sen pitoisuus on sopivimmin 0,02 - 0,06 %.

Myös kupari on epäpuhtaus, ja sen pitoisuus on sopivimmin 30 enintään 0,20 %.

Sitkeyttä voidaan lisätä käyttämällä mahdollisimman pie-.· niä pii- ja mangaanipitoisuuksia. Minimipitoisuudet 0,10 % ja vast. 0,20 % ovat kuitenkin tarpeen deoksidaation aikaansaamiseksi .

35 Mahdollisimman matala kromipitoisuus lisää sitkeyttä ja hitsattavuusominaisuuksia. Minimipitoisuus on kuitenkin tarpeen karkenevuuden saavuttamiseksi aina 50 mm:n ainesvah-vuuteen saakka. Korkea nikkelipitoisuus parantaa karkene- 4 87471 vuutta, lisää lujuutta liuoslujittumisen kautta sekä erityisesti lisää sitkeyttä matalissa lämpötiloissa.

Korkea molybdeeniseostus lisää lujuutta. Lisäksi molybdeeni estää raerajojen haurastumista aiheuttavaa epäpuhtauk-5 sien atomaarista suotautumista.

Keksinnön mukaista terästä voidaan valmistaa kaksivaiheisella sulatusprosessilla, joista toinen vaihe suoritetaan tyhjökonvertterissa.

Sulatuksen ensimmäinen vaihe suoritetaan normaalissa il-10 mavalokaariuunissa, jossa normaalein kuonausprosessein ja tavanomaista sulatusprosessia pitemmälle viedyin happipuhal-luksin sulasta teräksestä poistetaan rikki, tosfori, pii ja mangaani hyvin pieniin pitoisuuksiin. Samalla poistuu myös hiiltä ja kromia merkittäviä määriä. Tässä valokaariuuni-15 vaiheessa teräksen kaasupitoisuus erityisesti typen ja hapen suhteen voi olla hyvin korkea.

Toisessa vaiheessa valokaariuunissa sulatettu teräs tyh-jökonvertteriin siirrettynä läpikäy lyhyen happipuhallusvai-heen, jolla varmistetaan haitallisten epäpuhtauksien matala 20 pitoisuustaso. Tämän jälkeen täsmätään haluttujen alkuai- neitten pitoisuus tavoiterajohin lisäämällä puhtaita seosaineita. Tässä vaiheessa teräksen kaasupitoisuus saattaa olla suuri.

Haitallisten epäpuhtauksien poistamisen ja seostuksen 25 jälkeen poistetaan sulasta haitalliset kaasut imemällä konvertterit i laan syvä tyhjö (alle 5 mbar, parhaiten alle 2 mbar) ja sekoittamalla terässulaa samanaikaisesti puhaltamalla sulan alta puhdasta argonia. Tämän prosessivaiheen aikana teräksestä poistuvat happi, typpi ja vety em. painet-30 ta vastaaviin tasapainopitoisuuksiin, jotka ovat niin pienet, että niillä ei ole heikentävää vaikutusta jähmettyneen teräksen ominaisuuksiin.

Teräs valetaan sulan prosessoinnin jälkeen valurautako-killeihin. Kokillit ja valusuihku on suojattava siten, 35 etteivät teräksen kaasupitoisuudet nouse olennaisesti vakuu-mikäsittelyn jälkeen suoritettavassa koki 11ivalussa.

Valetut teräsaihiot kuumamuokataan ja lämpökäsitellään. Lämpökäsittely koostuu austenoinnista ja sitä seuraavasta 5 87471 vesikarkaisusta sekä päästöstä ja sitä seuraavasta ilmajääh-dytyksestä.

Aihiot muokataan parhaiten kuumavalssaamalla siten, että reduktioaste on vähintään 3. Aihion esikuumennuksen on ol-5 tava riittävä, jotta koko aihio saavuttaa oikean lämpötilan. Esikuumennuslämpötilan on oltava 1100°C ± 20°C, ja pitoajan 1 tunti jokaista ainesvahvuuden 25 mm kohden. Valssaus suoritetaan lämpötila-alueella 1100°C - 850°C, minkä jälkeen aihio voidaan jäähdyttää ilmassa huoneenlämpötilaan.

10 Kuumavalssauksen jälkeen teräs nuorrutetaan seuraavasti: austenointi 830°C ± 20°C /vesi päästö 520°C - 620°C /ilma

Pitoajät sekä austenoinnissa että päästössä ovat 1 tunti ainesvahvuuden tuumaa kohden, kuitenkin vähintään 1 tunti. 15 Päästölämpötilan vaikutus myötölujuuteen on esitetty kuvassa 1.

Lopputuotteen mikrorakenne lämpökäsittelyn jälkeen on olennaisesti sälemartensiittinen aina 50 mm:n ainesvahvuu-teen saakka. Raerajat ovat käytännöllisesti katsoen vapaat 20 epämetallisista sulkeutumista ja erkaumista eikä lamellimai-sia, valssauksessa muokkautuneita sulkeumia ole havaittavissa.

Nuorrutuksen jälkeen teräksissä iskusitkeys (KV) -40°C:n ja -60°C:n lämpötiloissa on tyypillisesti 100 - 250 J koko 25 edellä esitetyllä lämpötila-alueella. Iskusitkeys ei ole riippuvainen loven orientaatiosta valssaussuuntaan nähden.

Terästä voidaan hitsata kylmänä eikä sitä tarvitse jäl-kilämpökäsitellä hitsauksen jälkeen, kun hitsausenergia pidetään alueella 10 - 30 kJ/cm. Terästä voidaan kuitenkin 30 tarvittaessa hitsata sekä esilämmittäen että jälkilämpökä-sittelyä käyttäen. Hitsauksen jälkeinen myöstöhehkutus tai vedynpoistohehkutus ovat mahdollisia lujuus- tai sitkeysomi-naisuuksien heikentymättä. Käytettäessä jälkilämpökäsittelyä ei lämpötila saa ylittää aiempaa päästölämpötilaa. Hit-35 sin muutosvyöhyke täyttää perusaineen minimivaatimukset eikä muutosvyöhykkeessä esiinny kylmähalkeamia, mikäli itse hitsin vetytaso ei ylitä 10 ppmrää.

6 8 7 4 7 '1

Tavoiteanalyysi erityisen sopivalle keksinnön mukaiselle teräkselle on seuraava C 0,08 %, Si 0,15 %, Mn 0,45 %, P 0,006 %, S 0,001 I, Cu 0,10 %, Cr 0,75%, Mo 0,60 %, Ni 4,50 %, AI 0,035 %, Zr 0,001 %, B 0,0001 %, V < 0,005 %, 5 Nb < 0,005 %, Ti < 0,005 %, N < 40 ppm, H 0,7 ppm. Kun tällaisen koostumuksen omaava teräs kuuraava 1ssattiin ja lämpo-käsitelt i in (850 °C/3 h/vesi + 580 °C/3 h/ilma) edellä kuvatulla tavalla saatiin seuraavat koetulokset: Re 890 MPa, Rm 940 MPa, A5 19 %, Z 66 %, CVN (-80 °C) 180 J. Vetokoetulok-10 set ovat valssaussuuntaan kohtisuoraan otetuista näytteistä. Iskukokeet tehtiin sauvoilla, joissa V-lovi oli levyn poik-kisuunnassa.

Claims (15)

1. Kuumamuokattu teräs, tunnettu siitä, että siinä varsinaisia seosaineita ovat nikkeli, molybdeeni ja 5 kromi, ja niiden pitoisuudet ovat Ni 4,2 - 5 % Mo 0,3 - 1 % Cr 0,5 - 1 % piin ja mangaanin pitoisuudet ovat 10 Si 0,10 - 0,60 % Mn 0,20 - 1,0 % hiilipitoisuus on C 0,05 - 0,12 % mikroseosaineiden niobin, titaanin, vanadiinin, 15 zirkoniumin 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 max 0,010 % P max 0,012 %

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen teräs, tunnet-25 t u siitä, että vety- ja typpipitoisuudet ovat : H max 5 ppm N max 100 ppm

3. Jonkin patenttivaatimuksen 1-2 mukainen teräs, tunnettu siitä, että mikroseosaineiden pitoisuudet 30 ovat Nb max 0,01 % Ti max 0,01 % V max 0,02 % Zr max 0,01 % 35. max 0,002 %

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen teräs, tunnettu siitä, että rikin ja fosforin pitoisuudet ovat 8 87471 s max 0,005 % P max 0,010 %

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen teräs, tunnettu siitä, että hiilipitoisuus on 5. max 0,10 %

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

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen teräs, tunnettu siitä, että muokkausreduktio on vähintään 3.

7 87471

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen teräs, tunnettu siitä, että muokatun tuotteen rakenne on 15 oleellisesti päästettyä sälemartensiittia.

9. Menetelmä kuumamuokatun teräksen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että valmistetaan jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukaista terästä kaksivaiheisella sulatus-prosessilla, jossa 20. ensimmäisessä vaiheessa poistetaan jähmettyneessä tilassa kiinteänä esiintyvät epäpuhtaudet sallien teräksen kaasupitoisuuden nousu ja - toisessa vaiheessa seostuksen täsmäyksen jälkeen poistetaan haitalliset kaasut syvän tyhjön ja inerttikaasu-25 sekoituksen avulla, minkä jälkeen teräs kuumamuokataan ja lämpökäsitellään.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tyhjö on alle 5 mbar.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, t u n-30 n e t t u siitä, että tyhjö on alle 2 mbar.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 9-11 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että toisessa vaiheessa teräs-sulaa sekoitetaan puhaltamalla siihen alhaalta päin argonia.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 9-12 mukainen menetel-35 mä, tunnettu siitä, että kuumamuokkaus suoritetaan valssaamalla reduktioasteeseen vähintään 3, minkä jälkeen karkaistaan vedellä n. 830°C:ssa, päästetään lämpötila-alueella 520 - 620°C ja jäähdytetään huoneenlämpötilaan. 10 87471