FI95049B

FI95049B - Parannettu takokappale ja sen valmistusmenetelmä

Info

Publication number: FI95049B
Application number: FI923929A
Authority: FI
Inventors: Vesa Ollilainen
Original assignee: Imatra Steel Oy Ab
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1995-08-31
Also published as: DE69322028D1; DE69322028T2; FI95049C; EP0586179B1; FI923929A; EP0586179A1; FI923929A0

Description

1 95049

PARANNETTU TAKOKAPPALE JA SEN VALMISTUSMENETELMÄ -FÖRBÄTTRAT SMIDESSTYCKE OCH DESS FRAMSTÄLLNINGS-FÖRFARANDE

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen menetelmään lujuusominaisuuksiltaan ja sitkeydeltään edullisen takokappa-leen valmistamiseksi sekä tällä menetelmällä valmistettuun takokappalee-seen.

5 Patenttijulkaisusta EP 191873-B1 (= Fl 72148) tunnetaan menetelmä lujuusominaisuuksiltaan edullisen suorasammutetun kuumatakokappaleen valmistamiseksi. Keksinnön tarkoituksena on parantaa tätä tunnettua tekniikkaa siten, että kappaleen lujuus, etenkin lujuuden tasaisuus yli kappaleen poikkipinnan sekä kappaleen sitkeys suorasammutuksessa 10 paranevat. Keksinnön tarkoitus saavutetaan patenttivaatimuksissa 1 ja 9 esitetyllä tavalla.

Takokappaleen lujuutta voidaan periaatteessa parantaa seuraavin keinoin: - hiilipitoisuuden korotus - mangaanipitoisuuden korotus 15 - kromipitoisuuden korotus - seostaminen nikkelillä - seostaminen molybdeenillä

Hiilipitoisuuden korotus nostaa tehokkaasti lujuutta, mutta korkeat pitoisuudet, varsinkin pitoisuudet oleellisesti yli 0,1 % heikentävät sitkeyttä 20 ja lastuttavuutta.

Mangaanipitoisuuden nostaminen yli 1 % on monessa tapauksessa hyödyllistä, mutta mangaanilla on voimakas suotaumataipumus. Tämä : aiheuttaa helposti varsin suuria lujuusvaihteluja yli kappaleen poikkipinnan sekä kappaleiden välillä jatkuvassa tuotannossa. Lisäksi mangaanin 25 suotautuminen heikentää teräksen lastuttavuutta.

Kromipitoisuuden korotus yli 2 % heikentää sitkeyttä varsinkin hiilipitoisuuden ollessa yli 0,06 %. Toisaalta kromilla on vähäinen suotautumataipu-mus, jolloin yli 1 %:n pitoisuudetkaan eivät heikennä lastuttavuutta.

95049 2

Nikkeliseostus on varsin kallis, toimenpide ja sen vaikutus lujuuteen on suhteellisen vähäinen, varsinkin pieninä pitoisuuksina.

Molybdeeniseostus ei ole kovin suosittu toimenpide, koska molybdeeni on kallis seosaine ja sen lujuutta parantava tehokkuus vähenee pitoisuuden 5 kasvaessa. Lisäksi molybdeenin aikaansaama bainiittimuodostus yleensä heikentää sitkeyttä, varsinkin jos hiilipitoisuus on 0,15% tai korkeampi.

Keksintö on pitkälti samanlainen kuin julkaisussa EP 191873-B1 selostettu keksintö. Parannusta tunnettuun tekniikkaan nähden saavutetaan lisäämällä pieniä määriä molybdeenia siten, että molybdeenipitoisuus on 0,04 ... 0,25 10 painoprosenttia, mieluimmin 0,04 ... 0,15 painoprosenttia.

Molybdeeniseostuksella voidaan keksinnön mukaisessa teräksessä pienillä pitoisuuksilla tehokkaasti kohottaa lujuutta. Tämä perustuu molybdeenin suureen ns. karkenevuustekijään ja siihen, että uuden seosaineen tuomisella on karkenevuuteen synergistinen vaikutus, ts. uusi seosaine kohottaa 15 karkenevuutta yhdessä muiden seosaineiden (tässä tapauksessa mangaanin ja kromin) kanssa voimakkaammin kuin yksinään.

Molybdeeni suosii bainiitin muodostumista, mikä näkyy esimerkiksi ns. CCT-diagrammissa laajana bainiittialueena. Laaja bainiittialue tasoittaa pinnan ja keskustan välisiä lujuuseroja, koska martensiitin syntyminen pintaan 20 voidaan estää ja kappale saadaan käytännöllisesti katsoen täysbainiit* tiseksi. Keksinnön mukaisessa teräksessä molybdeeni ei heikennä sitkeyttä, vaan parantaa sitä. Lisäksi laaja bainiittialue tarkoittaa käytännössä sitä, että käytetty sammutusteho ei ole kovin kriittinen, vaan varsin laaja sammutustehoalue on käytettävissä. Suuriläpimittaisten kappaleiden 25 sammutuksessa sammutusteho jää pakosta suhteellisen pieneksi, mutta tästä ei ole oleellista haittaa keksintöä sovellettaessa.

Molybdeenin suhteellisen korkea hinta rajoittaa sen taloudellisen käytön pieniin pitoisuuksiin. Molybdeeni on kuitenkin sen karkenevuutta lisäävään tehoon nähden huomattavasti halvempi seosaine kuin esimerkiksi nikkeli. 30 Keksinnön mukaisessa teräksessä molybdeenipitoisuus on korkeintaan 0,25 painoprosenttia ja suosittu pitoisuus on korkeintaan 0,15 painoprosenttia, jolloin molybdeenin synergistinen karkenevuusvaikutus on tehokkaimmil-

II

3 95049 laan. Molybdeenipitoisuuden kasvaessa karkenevuusvaikutuksen teho per pitoisuusyksikkö heikkenee.

Lujuuden epätasaisuutta voidaan parantaa sammutustekniikalla. Sammuttamalla takokappale veteen tai vesipohjaiseen emulsioon tai liuokseen 5 saavutetaan keksinnön mukaisella teräksellä yleensä riittävän tasainen lujuusjakautuma yli kappaleen poikkipinnan. Vesi on yleensä suotavin sammutusaine. Veteen voi lisätä muita aineita siten, että muodostuu vesipohjainen emulsio tai liuos. Tämä vaikuttaa veden sammutustehoon.

Veden sammutustehoon voidaan myös vaikuttaa säätämällä sen lämpötilaa. 10 Nostamalla veden lämpötila huonelämpötilaa korkeammaksi, sopivimmin 30°C tai 40°C ylittävään lämpötilaan, saavutetaan yleensä parhaimmat tulokset keksintöä sovellettaessa. Toinen suositeltava sammutustekniikka keksintöä sovellettaessa on suihkusammutus, koska sen säädettävyys on erinomainen. Suihkusammutuksen tehoa voidaan helposti säätää ja 15 sammutus voidaan kohdistaa vain osaan kappaletta. Tällöin vain haluttu kappaleen kohta karkenee muiden osien jäädessä pehmeiksi ja sitkeiksi.

Eräs erityisen suosittu keksinnön mukainen teräs sisältää seuraavat painoprosenttimäärät muita aineita kuin rautaa: C 0,06%, Si 0,28%, Mn 0,91%, S 0,080%, Cr 1,11%, AI 0,038%, 20 Mo 0,10%, Ti 0,019%, B 0,005%.

Keksinnön mukainen teräsaihio soveltuu hyvin paitsi suorasammutetun kuumatakokappaleen aihioksi myös kylmämuovaukseen joko lyhytaikaisesti hehkutettuna tai suoraan kuumavalssattuna ilman hehkutusta.

Keksinnön mukainen teräs soveltuu hyvin myös nitrattavaksi. Molybdeeni 25 parantaa päästönkestävyyttä, mikä nitrauksessa antaa korkeamman sisustan lujuuden. Lisäksi molybdeenillä on päästöhaurastumista estävä vaikutus, mikä antaa paremman sitkeyden, etenkin jos kappale nitrataan.

Keksinnön mukaisia takoaihioita voidaan kylmäleikata tankovaletusta tai kuumavalssatusta teräksestä ja valmis tae voidaan suoraan sammuttaa 30 takolämpötilasta. Keksinnön mukaisia takeita voidaan koneistaa ja käyttää ilman päästöä.

95049 ------- ... I.

4

Takokappaleet voidaan koota myös sulahitsäamalla useasta osasta.

Keksinnön mukainen teräs soveltuu erinomaisesti myös hiiletyskarkaista-vaksi. Etuna on tällöin tavanomaista suurempi sisustan venymä ja sitkeys, mikä on seurausta tavallista pienemmästä teräksen hiilipitoisuudesta. Tämä 5 mahdollistaa teräksen käytön etenkin sellaisissa hiiletyskarkaistuissa kappaleissa, joissa tapahtuu suuria muodonmuutoksia ja joita tästä syystä joudutaan oikaisemaan esim. kylmätaivutuksella.

Kokeellisesti on havaittu, että keksinnön mukaisen teräksen lastuttavuus on selvästi parempi kuin tavanomaisten (runsaammin hiiltä ja usein myös 10 enemmän mangaania sisältävien) terästen. Parempi lastuttavuus on tullut ilmi pikaterästerän vähäisempänä kulumisena.

Keksinnön mukaisen kappaleen lujuutta ja sitkeyttä voidaan parantaa säätämällä kuumataonnan loppulämpötilaa suhteellisen tarkkaan. Suosituin taonnan loppulämpötila on 950°C ... 1050°C. Toinen tapa lisätä lujuutta 1 5 on karttaa hyvin alhaisia hiilipitoisuuksia. Suositellaan, että hiilipitoisuus on vähintään 0,07 painoprosenttia. Yleisesti sanottuna hiilipitoisuuden pitäisi olla keksinnön määrittelemissä rajoissa niin korkea, että valmiin takokappa-leen vetomurtolujuus ilman päästöä on vähintään 900 N/mm2.

Lisäämällä keksinnön mukaiseen teräkseen pieniä määriä rikkiä, vähintään 20 0,02 painoprosenttia, teräksen lastuttavuutta voidaan parantaa varsin oleellisesti. Rikkipitoisuuden ei kuitenkaan pitäisi nousta yli 0,15 painoprosenttia, jolloin mekaaniset ominaisuudet heikkenevät.

Keksintöä selostetaan seuraavassa viitaten oheiseen piirustukseen, jonka ainoa kuvio esittää ns. CCT-diagrammia. Siinä keksinnön mukaisen 25 takokappaleen (suosittu seos) rakennetta on esitetty eri sammutustehoilla.

Diagrammin vaaka-akselissa on aika sekunneissa ja pystyakselissa lämpötila celsiusasteissa. Martensiittinen alue on osoitettu kirjaimella M, bainiittinen alue kirjaimella B, ferriittinen alue kirjaimella F ja perliittinen alue kirjaimella P. Alueet on määritelty käyttäen erilaisia näytteen kuumennuslämpötiloja. 30 Yhtenäisillä viivoilla piirretty käyrästö esittää tilannetta kuumennuksen ollessa 1200°C, katkoviivakäyrästö tarkoittaa 900°C kuumennusta ja pilkkuviivakäyrästö sekä 1200°C kuumennusta että näytteen muokkaamista tyssäämällä 50 prosentin muokkausasteella. Kuten diagrammista käy ilmi,

Claims

1. Menetelmä lujuusominaisuuksiltaan ja sitkeydeltään edullisen takokappaleen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että halutun kappaleen aihio tehdään aineesta, joka raudan ja mahdollisten epäpuhtauksien lisäksi sisältää seu- 15 raavia aineita: C 0,04 ... 0,14 painoprosenttia Si 0,05 ... 0,50 Mn 0,6 ... 1,0 Cr 1,0...2,0

20 Mo 0,04 ... 0,25 S enintään 0,15 " AI " 0,1 B " 0,015 Ti " 0,05 25 että aihiota taotaan lämpötilassa 800°C ... 1300°C ja että täten takokap-paleeksi muuttunut aihio välittömästi taonnan jälkeen sammutetaan veteen tai vesipohjaiseen emulsioon tai liuokseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aineen molybdeenipitoisuus on 0,04 ... 0,15 painoprosenttia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sammutusnesteen lämpötila pidetään huonelämpötilaa korkeammalla, mieluimmin 30 °C ylittävässä lämpötilassa. 95049 6

4. Jonkin yllä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aihion kuumataonnan loppulämpötila on 950°C ... 1050°C.

5. Jonkin yllä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aineen hiilipitoisuus on vähintään 0,07 painoprosenttia. 5

5 95049 laaja sammutustehoalue, noin 0,2 ... 30 C°/s, on käytettävissä halutun bainiittisen rakenteen aikaansaamiseksi. Arvoa 30 C°/s ylittäviä sammutus-tehoja voidaan myös käyttää, koska lievä martensiittimuodostus ei yleensä aiheuta ongelmia. Lisäksi nähdään, että CCT-käyrät ovat lähes riippumatto-5 mia kuumennuslämpötilasta ja muokkausasteesta. Tämä merkitsee, että keksinnön mukaisen suositusta seoksesta tehdyn takokappaleen rakenne ja siten mekaaniset ominaisuudet ovat lähes riippumattomia kuumataonnan aloituksesta. Keksintö ei rajoitu esitettyihin sovellutusmuotoihin, vaan useita sen 10 muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

6. Jonkin yllä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aihion hiilipitoisuus pidetään niin korkealla, että takokappaleen vetomurtolujuus on ilman päästöä vähintään 900 N/mm2.

7. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu 10 siitä, että aineen rikkipitoisuus on vähintään 0,02 painoprosenttia.

8. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sammutus suoritetaan suihkusammutuksella, joko sammuttamalla koko takokappale tai vain haluttu osa siitä.

9. Lujuusominaisuuksiltaan ja sitkeydeltään edullinen takokappale, tunnettu 15 siitä, että se on tehty aineesta, joka raudan ja mahdollisten epäpuhtauksien lisäksi sisältää seuraavia ainepitoisuuksia painoprosentteina ilmaistuina: C 0,04 ... 0,14, mieluimmin 0,07 ... 0,14 Si 0,05 ... 0,50 Mn 0,6...1,0

20 Cr 1,0...2,0 Mo 0,04 ... 0,25, mieluimmin 0,04 ... 0,15 S enintään 0,15, mieluimmin 0,02 ... 0,15 AI " 0,1 B " 0,015

25 Ti " 0,05 ja että kappaleen valmistusvaiheessa on suoritettu kappaleen kuumataonta lämpötilassa 800°C ... 1300°C ja välittömästi tämän jälkeen kappaleen sammutus.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen takokappale, tunnettu siitä, että sen 30 sammutus on suoritettu vedellä tai vesipohjaisella emulsiolla tai liuoksella, jonka lämpötila mieluimmin on huonelämpötilaa korkeampi. 7 95049