NO121050B

NO121050B -

Info

Publication number: NO121050B
Application number: NO168644A
Authority: NO
Inventors: Jere Hall Brophy; J Mihallisin; H Hayden; R Gibson
Original assignee: Int Nickel Ltd
Priority date: 1966-06-21
Filing date: 1967-06-19
Publication date: 1971-01-11
Also published as: CH524685A; BE700752A; NL6708309A; ES342038A1; ES342039A1; BE700250A; SE346121B; NO122157B; DE1558521B2; GB1192934A; AT296636B; ES342040A1; NL6709130A; GB1192945A; SE346122B; BE700251A; FR1550996A; DE1558521C3; US3519419A; AT295176B

Description

Fremgangsmåte for å gi legeringer en fin

kornstruktur.

Det finnes en rekke av legeringer med en slik sammensetning at legeringen ved vanlige temperaturer består av to faser hvorav den ene helt eller delvis oppløser seg i den andre etter opphetning til en tilstrekkelig høy temperatur og blir utfelt ved kjøling fra denne temperatur.

Oppfinnelsen er basert på den oppdagelse at hvis en slik legering blir plastisk deformert og den oppløselige fase utfelles med rekrystallisering av legeringen, oppnåes en meget fin kornstruktur som bevirker at legeringene får e,n meget fordelaktig kombinasjon av egenskaper, deriblant høy plastisitet ved høye temperaturer.

Som vel kjent, er temperaturen ved hvilken eller over hvilken en plastisk deformert legering rekrystalliserer, avhengig i av legeringens sammensetning og til en viss grad av størrelsen av den plastiske deformasjon. Den laveste temperatur ved hvilken re-krystalliseringen begynner er vanligvis kjent under benevnelsen rekrystalliseringstemperatur, og for å kunne gis en fin kornstruktur ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen må legeringen være slik at dens rekrystalliseringstemperatur ligger innenfor to-fase-temperaturområdet.

De to faser i legeringens to-faseområdet kan f.eks. være en kubisk flatesentrert fase (face-centred cubic phase) og en kubisk romsentrert fase (body centred cubic phase). F.eks. i en lav-karbonholdig jernlegering er den romsentrerte fase ferritt og den flatesentrerte fase austenitt. Slike legeringer omfatter lavkar-bonholdige rustfrie nikkel-kromstål med forholdsvis lave nikkel-innhold og forholdsvis høye krominnhold, som er ferritiske ved hø-ye temperaturer og som når de holdes i en passende tid i to-faseområdet, utvikler en mikrostruktur som består av en utfelling av austenitt i en ferritisk grunnmasse som er stabil etter kjøling inntil Ms-temperaturen er nådd. Ms-temperaturen av slike rustfrie stål og lignende legeringer er vanligvis under 0°C, så at denne to-fasestruktur, når den en gang er dannet, forblir uforand-ret for praktiske formål dersom legeringen ikke opphetes til en temperatur ved hvilken den faste oppløsning begynner påny å danne seg. Hvis imidlertid stålet kjøles under Ms-temperaturen, omdan-nes austenitt til martensitt.

Andre eksempler er forholdsvis høy-kromholdige legeringer av nikkel-krom-jern-systemet som ved romtemperatur omfatter en gamma-fase bestående av en kubisk flatesentrert nikkel-krom fast oppløsning og en alfa-fase bestående av en romsentrert kubisk kromrik fast oppløsning inneholdende nikkel, med eller uten jern, idet alfa-fasen helt eller delvis oppløser seg i gamma-fasen ved opphetning til en tilstrekkelig høy temperatur og gjenut-felles ved kjøling.

Andre eksempler på to-faselegeringer som oppfyller de ovenfor angitte betingelser er velkjent for metallurger.

I overensstemmelse med det foran anførte går fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ut på kornraffinering av legeringer med en slik sammensetning at de ved vanlige temperaturer består av to faser, hvorav den ene helt eller delvis oppløser seg i den andre ved opphetning til en tilstrekkelig høy temperatur og atter utfelles ved kjøling, og det karakteristiske ved fremgangsmåten

er at legeringen deformeres plastisk innenfor to-fasetemperaturom-

rådet og under eller efter deformeringen rekrystalliseres og utskillelsen av fasen som er i stand til å bli skilt ut, frembringes.

Ved en særlig fordelaktig utførelsesform deformeres legeringen

plastisk i to-faseområdet, hvorunder fasen som kan utskilles i sin helhet er oppløst.

Videre gjennomføres den plastiske deformering særlig hen-siktsmessig i en slik utstrekning at legeringen reduseres med i det minste 50 % av dens tverrsnittsflate. Andre trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse.

Det er således funnet at rekrystallisasjonen av det plas-

tisk deformerte materiale sikrer dannelsen av fine korn, mens utfellingen av den oppløselige fase hindrer kornveksten ved utfellings-temperaturen, idet begge tilsammen medvirker til å danne og opprett-holde fine dupleks-strukturer.

Legeringen blir fortrinnsvis oppløsningsopphetet i tilstrekkelig lang tid til å oppløse hele den mere oppløselige fase som vil oppløse seg ved den anvendte oppløsningstemperatur. Alle partikler av den oppløselige fase som forblir uoppløselige vil bli avlange under deformasjonen av legeringen, særlig ved varm- eller koldbearbeideIse, og danne striper, hvis dannelse kan tilveiebrin-

ge anisotropiske egenskaper i det smidde produkt- For å oppnå et produkt med en likeakset fin kornstruktur bør derfor om mulig, opp-løsningstemperaturen velges således, idet det tas hensyn til sammen-setningen av legeringen, at hele den oppløselige fase av legeringen blir oppløst. Størrelsen av de tilveiebragte fine korn er blant annet avhengig av graden av den plastiske deformasjon. Så lite som en 20% overflatereduksjon vil være tilstrekkelig, men fortrinnsvis blir legeringens tverrsnitt redusert med minst 50 %. Det er også fordelaktig å utføre minst en del av deformeringen ved koldbear-beidelse.

Fremgangsmåten kan utføres på forskjellige måter, idet

den mest egnede måte er avhengig av hastigheten med hvilken utfellingen av den oppløselige fase finner sted ved kjøling fra opp-løsningstemperaturen. Hvis denne utfelling skjer hurtig, så at en stor del av den oppløselige fase skiller seg ut under normal kjø-

ling, f.eks. i tilfellet av legeringer med høyt krominnhold av nikkel-krom-jern-systemet, kan det være tilstrekkelig å bearbeide legeringen kontinuerlig, mens den kjøles til eller gjennom en temperatur i to-faseområdet ved hvilken skjer utfellingen og rekrystal-

lisasjonen. Legeringen blir således kontinuerlig deformert og re-krystallisert under utfellingen, og dersom bearbeidelsen er tilstrekkelig kraftig, danner det seg en ytterst finkornet dupleks mikrostruktur.

Hvis imidlertid utfellingen skjer bare langsomt, kan

bare lite eller ingen utfelling finne sted i den tid som er nød-vendig for å bearbeide legeringen til eller under rekrystallisasjonstemperaturen. Dette er f.eks. tilfellet med rustfrie nikkel-kromstål, og fremgangsmåten må da kompletteres med en opphetning av legeringen i lengere tid til en temperatur i to-faseområdet over rekrystallisasjonstemperaturen, om nødvendig etter en gjenopphetning for å øke temperaturen etter at bearbeidelsen er av-sluttet. Fortrinnsvis blir legeringen utsatt for videre plastisk deformasjon ved å koldbearbeide den før gjenopphetningen eller ved å varmbearbeide den etter at den ble opphetet over rekrystal-lisas jonstemperaturen , eller ved begge metoder.

En annen måte for å utføre fremgangsmåten består i å kjøle legeringen tilstrekkelig hurtig fra oppløsnings-opphetnings-temperaturen til å beholde den oppløste fase i oppløst tilstand,

å koldbearbeide den og deretter å gjenopphete den til en temperatur som er tilstrekkelig høy til rekrystallisasjon og til utfelling av den oppløselige fase.

I hvert tilfelle må varigheten av opphetningen over re-krystallisas jonstemperaturen være tilstrekkelig til å tilveiebrin-ge en utfelling av hele eller størsteparten av den oppløste fase.

Likegyldig hvordan fremgangsmåten utføres, må det sør-ges for at utfellingen av den oppløselige fase skjer bare i det materiale som ble plastisk deformert i to-faseområdet etter opp-løsningsopphetningen. Hvis utfellingen skjer i et materiale som tidligere ikke ble deformert i to-faseområdet, vil utfellingen skje uten en rekrystallisasjon, og en forholdsvis grov mikrostruktur vil resultere.

Ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det mulig å øke betydelig varmplastisiteten og varmbearbeidelsesevnen av et stort antall legeringer, og å skaffe i dem en ultrafin dupleks mikrostruktur i hvilken kornstørrelsen er bare noen få mikron og som er av en slik art at legeringen oppviser et fenomen som er kjent som overplastisitet. Denne overplastisitet kan defineres som evnen av materialet til å gjennomgå en meget stor forlengelse når det deformeres under spenning, og det ble konstatert at prøvestykker av legeringer i overplastisk tilstand hadde, når de ble utsatt for en strekkspenning med en regulert forlengelseshastighet ved høye temperaturer, forlengelser som var to, tre eller selv ti ganger større enn prøvestykkets opprinnelige lengde før bruddet.

Foreliggende fremgangsmåte er særlig fordelaktig for be-handling av rustfrie nikkel-kromstål og høykromholdige nikkel-kromlegeringer som har en særlig fordelaktig sammensetning og egenskaper når de har en to-fasestruktur med ultrafin kornstørrel-se. De rustfrie nikkel-kromstål som er omtalt her, danner gjen-stand for norsk søknad nr. 168 625Q<3 inneholder

fra 18 til 35 % krom, fra 2 til 12 % nikkel, ikke mer enn 0,08 % karbon, fra 0 til 1,5 % titan, 0 til 1 % mangan, 0 til 1 % silisium, 0 til 3 % molybden, 0 til 2 % kobolt og 0 til 2,5 % kobber, idet resten i det vesentlige er jern, med det forbehold at hvis kobberinnholdet er 2 % eller mere, overstiger manganinnholdet ik-ke 0,3 % og silisiuminnholdet overstiger ikke 0,4 % og at følgende betingelser er oppfylt:

En del eller alt titan i disse stål kan erstattes med opp til 1 % vanadium, med det forbehold at

Foretrukne stål som har en sammensetning innenfor dette område, inneholder minst 23 % krom, f.eks. fra 24 til 28 % krom,

og minst 5,2 % nikkel, f.eks. fra 5,2 til 8 % nikkel.

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse er det mulig å

danne i disse stål en to-fase mikrostruktur omfattende austenitt eller martensitt i en ferritisk grunnmasse, i hvilken den gjennomsnittlige frie bane mellom partikler av austenitt eller martensitt er så kort at stålet er overplastisk, så at når det settes under spenning ved en temperatur i området fra 870 til 980°C med en has-tighet fra 0,16 til 0,26 cm/cm/min., har det en forlengelse på

minst 150 %. For dette formål bør den gjennomsnittlige frie bane,

dvs. austenitt-avstanden mellom partiklene, ikke overstige 8 mik-

ron, og fortrinnsvis ikke overstige 6 eller selv 3 mikron. Stål med denne sammensetning som inneholder minst 23 % krom og minst 4,5 % nikkel, oppviser når det har en ultrafin to-fase mikrostruk-

tur, en enestående kombinasjon av egenskaper, deriblant plastisi-

tet ved høye temperaturer, høy fasthet, duktilitet, seighet og ut-

mattingsmotstand samt korrosjonsmotstand ved romtemperatur, og det kan godt bearbeides ved høye og lave temperaturer.

Nikkel-kromlegeringer som også fordelaktig kan behandles ved hjelp av foreliggende fremgangsmåte, har følgende sammensetnin-ger :

I disse legeringer består den fine kornstruktur vesentlig av fine korn av gamma-fasen av nikkel-krom-jernsystemet som har små partikler av alfa-fase dispergert mellom tilstøttende granuler, idet gamma-fasen er en kubisk flatesentrert fast oppløsning av nikkel-krom, med eller uten jern og alfa-fasen er en kubisk romsentrert kromrik fast oppløsning inneholdende nikkel med eller uten jern. Slike legeringer oppviser også overplastiske egenskaper, hvis meng-den av alfa-fase i mikrostrukturen er minst 2 % og fortrinnsvis minst 5 % og helst 10 %. Den gjennomsnittlige størrelse av gamma-korn bør også være så liten som mulig og i alle tilfeller må den være mindre enn 12 mikron og bør ikke overstige 10 mikron og helst ikke overstige 3 mikron. Den gjennomsnittlige tverrsnittsstørrel-

se av alfa-fasepartikler bør heller ikke være større enn 10 mikron og fortrinnsvis ikke større enn 5 mikron og helst 3 mikron, skjønt en liten mengde av større alfa-fasepartikler kan være tilstede uten skadelig virkning. En to-fasemikrostruktur bestående vesentlig av gamma- og alfa-faser med denne finhet betegnes i det følgende som ultrafin gamma-alfa-mikrostruktur. I visse legeringer inneholdende aluminium og titan er gamma-fasen en i det vesentlige gamma-alfa-mikrostruktur som kan inneholde ved romtemperatur en primær gamma-fase Ni^CTi.Al) utfelt i gamma-kornene, men denne fase er nesten eller helt oppløst når legeringen opphetes til 980°C. Andre faser som også kan være tilstede i små mengder ved romtemperatur eller høyere temperaturer, omfatter karbidfaser og også karbonitridfaser. Den samlede mengde av andre faser enn gamma- og alfa-fasen må ikke overstige 2 %.

Foretrukne legeringer av denne art inneholder minst I 0,36 % av ikke-karbidisk titan og inneholder nikkel og krom i mengder sva-rende til et punkt i området ABCDEFGA i fig. 3 i vedføyede tegninger. Legeringer i hvilke nikkel- og krominnhold er ytterligere begrenset for å svare til et punkt i området ABCDHA i samme figur, kan opphetes for å oppløse hele alfa-fasen, og de er derfor særlig fordelaktige, da det kan dannes fine korn ved hjelp av fremgangsmåten og en vesentlig likeakset struktur. I legeringer som har krominnhold til høyre av linjen DH, forblir en del av alfa-fasen uoppløst ved opphetning.

I det følgende angis en del eksempler på anvendelsen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i forbindelse med vedføyede tegninger, hvor fig. 1 og 2 er fotomikrografier av stål i en for-størrelse på 750 diametre. Fig. 4 og 5 er fotomikrografier av nikkel-kromlegeringer forstørret med .1000 diametre og fig. 6 og 7

er overførings-elektron-mikrografier av nikkel-krom-legeringer i forstørrelser på henholdsvis 28 000 og 18 000 diametre.

Eksempel I

Et vakuum-smeltet stål inneholdende 0,02 % karbon, 25 % krom, 6 % nikkel, 0,6 % titan, rest jern og forurensninger, ble støpt til blokker som ble opphetet til 1025°C og brutt ned ved smiing fra denne temperatur og deretter varmevalset i to-faseområdet fra en begynnelsestemperatur på 925°C. Den dannete struktur kan sees på fig. IA og den består av en ytterst fin dis-persjon av austenittpartikler i en ferritisk grunnmasse, idet den gjennomsnittlige frie bané i ferritt-kornene (dvs. avstanden mellom austenittpartikler) er 3,8 mikron.

En annen blokk av det samme stål ble på lignende måte be-handlet, unntatt at den ble koldbearbeidet etter smiing og før gjenopphetning for varmvalsing. Den resulterende struktur kan sees på fig. IB. Både austenittpartikler og ferrittkorn er meget mindre, idet den gjennomsnittlige ferritt-kornstørrelse er 2,4 mikron, hvilket viser den ytterligere kornraffineringsvirkning av koldbearbeidel sen.

En annen prøve av dette stål oppviste etter varmbearbei-delse fra 1205°C og glødning i 20 minutter ved 925°c, en overplastisk forlengelse ved 925°C på over 300 % med en forlengelseshastighet på 0,16 cm/cm/min., mens en annen prøve som ble koldbearbeidet for å minske dens tverrsnitt med 64 % mellom varmbearbeideIsen og glødningen hadde en overplastisk forlengelse på 600 %. Slike forlengelser er forbundet med de ultrafine kornstrukturer dannet iføl-ge oppfinnelsen.

Eksempel II

Et stål inneholdende 0,043 % karbon, 0,34 % mangan,

0,47 % silisium, 7,0 % nikkel, 25,5 % krom og 0,16 % titan, rest jern, ble støpt til en blokk som ble temperaturutjevnings-varmbe-handlet ved 1205°C og varmvalset til en 2,5 cm tykk plate som ble gjenopphetet til 925°C, varmvalset til 16 mm tykkelse og glødet i 1 time ved 925°C. Den temperaturutjevnende varmebehandling var tilstrekkelig til å oppløse bare en del av austenitten. Den endelige struktur er vist på fig. 2A og den består av en blanding av avlange partikler av uoppløst austenitt og øyer av gjenutfelt austenitt i en finkornet ferritisk grunnmasse.

Et stål med lignende sammensetning inneholdende 0,022 % karbon, 0,33 % mangan, 0,58 % silisium, 6,1 % nikkel, 26,9 % krom og 0,24 % titan, rest jern, ble temperaturutjevningsbehandlet ved 1260°C og tverrsnittsredusert til en 7,5 mm tykk strimmel ved smiing og varmvalsing, med mellomglødninger ved 925°C. Den høyere temperaturutjevnings-temperatur var tilstrekkelig til å oppløse all austenitt som ble gjenutfelt under den følgende varmvalsing og glødning for å gi den meget finere og mere likeaksede struktur vist på fig. 2B. Denne struktur er i det vesentlige fri for avlange austenittpartikler.

Eksempel III

En nikkel-kromlegering inneholdende 45,1 % nikkel, 38,3 % krom, 2 % titan, 1 % aluminium, 0,06 % karbon, rest jern, som ble oppløsningsopphetet ved 1205°C for å oppløse så meget som mulig av alfa-fasen, ble bråkjølt med vann, tverrsnittsredusert med 30 %

ved koldvalsing, opphetet til 540°C i 16 timer for å rekrystallise-re den og utfelle alfa-fasen og endelig opphetet i 1 time til 980°C. Den resulterende mikrostruktur kan sees på fig. 4. De meget små, nesten hvite partikler på fotomikrografiet er ultrafine partikler av alfa-fasen og det meget mørke og nesten sorte materiale er alfa-fase som er for fin til å løses opp ved 1000 diametre. Gamma-kornene ligger i de grå områder mellom alfa-fasen og de har en mindre gjennomsnittstørrelse enn ca. 3 mikron. De forholdsvis store flekk-lignende områder som utgjør omtrent 7,4 % volumprosent av mikrostrukturen er alfa-fasen (med gamma-fase innenfor) som ikke ble opp-løst ved hjelp av oppløsningsopphetning. Når den ble forlenget med 0,16 cm/cm av den opprinnelige lengde pr. minutt ved 980°C, kunne legeringen strekkes 800 % uten brudd, og var således overplastisk.

Eksempel IV

En nikkel-kromlegering inneholdende 50 % nikkel, 39 % krom, 8 % jern, 2 % titan, 1 % aluminium og 0,06 % karbon ble opp-løsningsopphetet ved 1205°C og varmbearbeidet fra denne temperatur under kjøling til under 980°C, dvs. i to-fasetemperaturområdet, idet tverrsnittsstørrelsen ble redusert med mer enn 75 %. Den resulterende mikrostruktur kan sees på fig. 5 og 6. Fig. 7 viser strukturen av den samme legering etter ytterligere overplastisk forlengelse på mere enn 1000 % ved 980°C. Elektronmikroskopet viser den ultrafine alfa-fase som faste gråsorte partikler tilstøt-tende til de lysere gamma-korn. Den gjennomsnittlige gamma-korn-størrelse på fig. 6 var mindre enn 1 mikron, og på fig. 7 var den fra 1 til 2 mikron.

Claims

1. Fremgangsmåte til kornraffinering av legeringer med en slik sammensetning at de ved vanlige temperaturer består av tof aser, hvorav den ene helt eller delvis oppløser seg i den andre ved opphetning til en tilstrekkelig høy temperatur og atter utfelles ved kjøling, karakterisert ved at legeringen deformeres plastisk innenfor to-fasetemperaturområdet og under eller efter deformeringen rekrystalliseres og utskillelsen av fasen som er i stand til å bli skilt ut, frembringes.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at legeringen deformeres plastisk i to-faseområdet, hvorunder fasen som kan utskilles i sin helhet er oppløst.

3.F remgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den plastiske deformering gjennomføres i en slik utstrekning at legeringen reduseres med i det minste 50 % av dens tverrsnittsflate.

4. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at den plastiske deformering utføres ved koldbearbeideIse.

5. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at legeringen bearbeides kontinuerlig mens den kjøles til eller gjennom en temperatur i to-faseområdet, ved hvilken utskillelse og rekrystallisasjon finner sted.

6.F remgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved at legeringen ved ikke fullstendig rekrystallisasjon og utskillelse i tilslutning opphetes påny til en temperatur ved hvilken det finner sted rekrystallisasjon og utskillelse av fasen som er i stand til å utskilles og således med eller uten ytterligere bearbeidelse ved denne temperatur.

7. - Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at legeringen før den fornyede opphetning koldbearbeides..

8. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at legeringen kjøles så hurtig at fasen som kan utskilles forblir i oppløsning, derpå koldbearbeides og det opphetess påny til en temperatur som er tilstrekkelig til å frem-bringe rekrystallisering og utfeining av fasen som skal utskilles.