PL209397B1

PL209397B1 - Stal spawalna na elementy konstrukcyjne, sposób obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych ze stali spawalnej oraz sposób obróbki cieplnej blachy ze stali spawalnej

Info

Publication number: PL209397B1
Application number: PL375529A
Authority: PL
Inventors: Jean Beguinot; Jean-Georges Brisson
Original assignee: Industeel Creusot
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2011-08-31
Also published as: CN1745189A; BR0315696B1; ATE368134T1; JP2006506530A; US20060162825A1; RU2005119207A; PT1563110E; WO2004048631A1; JP4535879B2; US7754031B2; WO2004048631A8; PL375529A1; FR2847273A1; FR2847273B1; DK1563110T3; KR101051934B1; CA2506353A1; CA2506353C; UA80010C2; BR0315696A

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stal spawalna na elementy konstrukcyjne, sposób obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych ze stali spawalnej, oraz sposób obróbki cieplnej blachy ze stali spawalnej.

Z japońskiego opisu patentowego JP 06-017188 znany jest sposób wytwarzania stali odpornej na zużycie, która zawiera więcej niż 5% martenzytu o strukturze wyspowej. Mikrostruktura tego rodzaju stali zawiera ferryt.

Z kolei z japoń skiego opisu patentowego JP 03-31443 znany jest sposób wytwarzania stali odpornej na obciążenia dynamiczne i stali twardej nie poddawanej obróbce cieplnej przeznaczonej do kucia na gorąco.

Stale konstrukcyjne muszą mieć określone cechy mechaniczne, aby były przystosowane do zamierzonego użycia, i powinny one w szczególności mieć podwyższoną twardość. Dlatego stosuje się stale podatne na hartowanie, to jest takie, dla których można otrzymać strukturę martenzytyczną lub bainityczną wówczas, gdy chłodzi się je w sposób wystarczająco szybki i skuteczny. Zatem określa się krytyczną prędkość bainityczną powyżej której otrzymuje się strukturę bainityczną, martenzytyczną lub martenzytyczno-bainityczną w funkcji osiąganej prędkości chłodzenia.

Zdatność do hartowania tych stali zależy od zawartości pierwiastków hartujących. Na ogół, im ilość tych pierwiastków jest większa, tym mniejsza jest krytyczna prędkość bainityczna.

Poza swoimi cechami mechanicznymi stale konstrukcyjne muszą również mieć dobrą spawalność. Otóż wówczas, gdy spawa się element ze stali, strefa spawania, zwana inaczej Zone Affectee Thermiquement (strefa wpływu ciepła) lub ZAT, poddawana jest bardzo wysokiej temperaturze podczas krótkiego okresu czasu, a następnie gwałtownemu chłodzeniu, które nadaje tej strefie podwyższoną twardość, która może prowadzić do drobnych pęknięć powierzchniowych i ograniczać w ten sposób spawalność stali.

W sposób klasyczny spawalność stali może być oszacowana za pomocą obliczenia jej „równoważnika węglowego określonego następującym wzorem:

Ceq = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 + %Ni/15).

W pierwszym przybliżeniu, im równoważnik węglowy stali jest mniejszy, tym jest ona lepiej spawalna. Jest więc zrozumiałe, że poprawienie hartowności związane jest z większą zawartością pierwiastków hartujących, szkodzących spawalności.

Aby poprawić hartowność tych stali nie szkodząc ich spawalności opracowuje się gatunki mikro-stopowe stali z borem, korzystając zwłaszcza z tego, że skuteczność hartowania tego pierwiastka zmniejsza się wówczas, gdy wzrasta temperatura austenityzacji. Zatem ZAT jest czynnikiem mniej hartującym, niż w przypadku gatunku o podobnej hartowności bez boru, a zatem, można zmniejszyć hartowność i twardość tej strefy ZAT.

Jednak, ponieważ efekt hartujący boru w części nie spawanej stali ma tendencję do nasycania dla skutecznych zawartości od 30 do 50 ppm (części na milion), dodatkowe poprawienie hartowności stali może nastąpić tylko przez dodanie pierwiastków hartujących, których skuteczność nie zależy od temperatury austenityzacji, co automatycznie szkodzi spawalności tych stali. Podobnie poprawa spawalności dokonuje się przez zmniejszenie zawartości pierwiastków hartujących, które zmniejszają automatycznie hartowność.

Celem niniejszego wynalazku jest zaradzenie tej niedogodności proponując stal konstrukcyjną mającą polepszoną hartowność bez zmniejszania jej spawalności.

Zgodnie z wynalazkiem stal spawalna na elementy konstrukcyjne, charakteryzuje się tym, że jej skład chemiczny wagowo zawiera:

0,10% < C < 0,22% 0,50% < Si < 1,50% Al < 0,9%

0% < Mn < 3%

0% < Ni < 5%

0% < Cr < 4%

0% < Cu < 1%

0% < Mo +W/2 < 1,5% 0,0005% < B < 0,010% N < 0,025%,

PL 209 397 B1 ewentualnie co najmniej jeden pierwiastek wybrany spośród V, Nb, Ta, S i Ca o zawartościach mniejszych od 0,3%, i/lub spośród Ti i Zr o zawartościach mniejszych lub równych 0,5%, a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym zawartości glinu, boru, tytanu i azotu, wyrażone w tysięcznych częściach %, spełniają ponadto następującą zależność:

B>-xK + 0,5 (1) gdzie: K = Min (I*; J*)

I* = Max (0; I) i J* - Max (0; J)

I = Min (N; N - 0,29 (Ti - 5))

J = Min| NWN-0,52Al+^(N-0,52Al)² + 283 a zawartości krzemu i glinu składu spełniają ponadto następujące warunki:

jeśli C > 0,145 wtedy Si + Al < 0,95, zaś stal jest o strukturze bainitycznej, martenzytycznęj lub martenzytyczno-bainitycznej i zawiera ponadto od 3% do 20% austenitu szczątkowego, a korzystnie od 5 do 20% austenitu szczątkowego.

Korzystnie, skład chemiczny stali spełnia ponadto następującą zależność:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) > 1, a korzystnie > 2.

%Cr + 3(%Mo + %W/2) > 1,8, a korzystnie > 2,0.

Natomiast sposób obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych ze stali spawalnej, o podanym wyżej składzie chemicznym, charakteryzuje się tym, że:

- austenityzuje się element przez ogrzewanie do temperatury zawartej między Ac3 i 1000°C, a korzystnie zawartej między Ac3 i 950°C, a następnie chłodzi się go do temperatury niższej lub równej 200°C tak, że w rdzeniu elementu stalowego prędkość chłodzenia między temperaturami 800°C i 500°C jest wyższa lub równa krytycznej prędkości bainitycznej,

- ewentualnie przeprowadza się odpuszczanie w temperaturze niższej lub równej Ac1.

W temperaturze między około 500°C i temperaturą otoczenia, a zwłaszcza między temperaturą 500°C i temperaturą niższą lub równą 200°C, prędkość chłodzenia może być ewentualnie zmniejszona, zwłaszcza dla ułatwienia zjawiska samo-odpuszczania i zatrzymania od 3% do 20% austenitu szczątkowego.

Korzystnie, w rdzeniu elementu konstrukcyjnego z stali spawalnej prędkość chłodzenia między temperaturą 500°C i temperaturą niższą lub równą 200°C utrzymuje się między 0,07°C/s i 5°C/s, a korzystniej między 0,15°C/s i 2,5°C/s.

Korzystnie, po przeprowadzeniu chłodzenia do temperatury niższej lub równej 200°C prowadzi się odpuszczanie w temperaturze niższej od 300°C w czasie krótszym od 10 godzin.

Korzystnie, w sposobie tym po przeprowadzeniu chłodzenia elementu do temperatury niższej lub równej 200°C nie przeprowadza się odpuszczania.

Z kolei sposób obróbki cieplnej blachy ze stali spawalnej, o podanym powyżej składzie chemicznym, której grubość zawarta jest między 3 mm i 150 mm, charakteryzuje się tym, że przeprowadza się hartowanie tej blachy, przy czym prędkość chłodzenia VR w jej rdzeniu, w temperaturze między 800°C i 500°C, wyrażona w °C/h, oraz skład stali są takie, że:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log VR > 5,5, a korzystnie > 6, przy czym logarytm jest logarytmem dziesiętnym.

Niniejszy wynalazek oparty jest na nowym stwierdzeniu, że dodatek krzemu o zawartościach wskazanych powyżej umożliwia wzrost działania hartującego boru od 30% do 50%. To współdziałanie następuje bez wzrostu ilości dodanego boru, podczas gdy krzem nie ma znacznego działania hartującego przy braku boru.

Z drugiej strony dodatek krzemu nie wpływa na własność boru z punktu widzenia jego hartowności, która się zmniejsza, a następnie zanika wraz z rosnącymi temperaturami austenityzacji, jak to jest w przypadku strefy ZAT.

Widać więc, że stosowanie krzemu w obecności boru umożliwia jeszcze zwiększenie hartowności elementu, nie pogarszając jego spawalności.

PL 209 397 B1

Ponadto odkryto również, że dzięki polepszeniu hartowności tych gatunków stali, i zapewniając minimalną zawartość pierwiastków węglikotwórczych, którymi zwłaszcza są chrom, molibden i wolfram, można wytwarzać te stale nie przeprowadzając odpuszczania w niskiej temperaturze, a nawet eliminując to odpuszczanie.

W rezultacie polepszenie hartownoś ci umoż liwia bardziej powolne chł odzenie elementów, cał kowicie zapewniając strukturę głównie bainityczną, martenzytyczną lub martenzytyczno-bainityczną. To powolniejsze chłodzenie, zestawione z wystarczającą zawartością pierwiastków węglikotwórczych, umożliwia wówczas wytrącanie drobnych węglików chromu, molibdenu i/lub wolframu w wyniku zjawiska zwanego samo-odpuszczaniem. To zjawisko samo-odpuszczania jest ponadto znacznie ułatwione przez zmniejszenie prędkości chłodzenia poniżej 500°C na godzinę. Podobnie to zmniejszenie prędkości ułatwia także zatrzymanie austenitu, korzystnie w proporcji zawartej od 3% do 20%. Zatem upraszcza się sposób wytwarzania, znacznie poprawiając własności mechaniczne stali, które już nie podlegają znacznemu obniżeniu wywołanemu odpuszczaniem w wysokiej temperaturze, jak to zwykle ma miejsce w praktyce. Pozostaje jednak możliwość przeprowadzenia takiego odpuszczania w zwykłych temperaturach, to jest niższych lub równych Ac1.

Poniżej wynalazek zostanie opisany bardziej szczegółowo, ale w sposób nie ograniczający.

Stal elementu według wynalazku zawiera wagowo:

- ponad 0,10% węgla, aby umożliwić otrzymanie wystarczającej twardości, ale mniej od 0,22%, aby uzyskać doskonałą spawalność, dobrą skrawalność, dobrą podatność na zginanie oraz zadowalającą ciągliwość,

- ponad 0,50%, a korzystnie ponad 0,75%, a szczególnie korzystnie ponad 0,85% wagowych krzemu, aby otrzymać współdziałanie z borem, ale mniej od 1,50% wagowych, aby nie powodować kruchości stali,

- ponad 0,0005%, a korzystnie ponad 0,001% boru, aby dostosować hartowność, ale mniej od 0,010% wagowych, aby uniknąć zbyt dużej zawartości azotków boru szkodliwych dla cech mechanicznych stali,

- mniej od 0,025%, a korzystnie mniej od 0,015% azotu, przy czym otrzymana zawartość jest funkcją sposobu wytapiania stali,

- od 0% do 3%, a korzystnie od 0,3% do 1,8% manganu, od 0% do 5%, a korzystnie od 0% do 2% niklu, od 0% do 4% chromu, od 0% do 1% miedzi, przy czym suma zawartości molibdenu i połowy zawartości wolframu jest niższa od 1,50%, aby otrzymać strukturę głównie bainityczną, martenzytyczną lub martenzytyczno-bainityczną, z tym, że chrom, molibden i wolfram dają ponadto korzyść polegającą na umożliwieniu tworzenia się węglików korzystnych dla wytrzymałości mechanicznej i dla odporności na zużycie jak wskazano poprzednio, ponadto suma %Cr + 3(%Mo + %W/2) jest korzystnie wyższa od 1,8%, a korzystniej wyższa od 2,0%, aby móc ewentualnie ograniczać odpuszczanie w temperaturze 300°C, lub nawet je wyeliminować ,

- ewentualnie co najmniej jeden pierwiastek wybrany spoś ród V, Nb, Ta, S i Ca o zawartościach mniejszych od 0,3%, i/lub spośród Ti i Zr o zawartościach mniejszych lub równych 0,5% i/lub glinu o zawartoś ci poniż ej 0,9%, przy czym dodatek V, Nb, Ta, Ti, Zr umoż liwia uzyskanie utwardzenia przez wytrącanie nie szkodząc nadmiernie spawalności, zaś tytan, cyrkon i glin mogą być użyte dla związania azotu obecnego w stali, co chroni bor, przy czym tytan może być zastąpiony całkowicie lub częściowo przez podwójną ilość Zr, natomiast siarka i wapń umożliwiają poprawienie obrabialności tego gatunku stali, a glin jest ograniczony do wartości 0,9% dla uniknięcia wszystkich problemów związanych z zatykaniem przewodów w czasie odlewania,

- zawartości glinu, boru, tytanu i azotu, wyrażone w tysięcznych częściach %, spełniają ponadto następującą zależność:

B>-xK + 0,5 (1) gdzie: K = Min (I*; J*)

I* = Max (0; I) i J* - Max (0; J)

I = Min (N; N - 0,29 (Ti - 5))

J = Minf NWN- 0,52Al/((- 0,52Al)² + 283

PL 209 397 B1 z warunkiem dodatkowym, ż e:

jeśli C > 0,145 (a korzystnie > 0,140) wtedy Si + Al < 0,95, a korzystnie < 0,90, aby wyraźnie odgraniczyć wynalazek względem rozwiązania wg EP 0 725 156, a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania.

Aby wytworzyć element spawalny wytapia się stal według wynalazku, odlewa się ją w postaci półproduktu, który jest wówczas kształtowany przez odkształcenie plastyczne na gorąco, na przykład przez walcowanie lub przez kucie. Element tak otrzymany jest wówczas austenityzowany przez ogrzewanie do temperatury powyżej Ac3, ale niższej od 1000°C, a korzystnie niższej od 950°C, a następnie chłodzony aż do temperatury otoczenia w taki sposób, aby w rdzeniu tego elementu, prędkość chłodzenia między temperaturami 800°C i 500°C była wyższa od krytycznej prędkości bainitycznej. Ogranicza się temperaturę austenityzacji do 1000°C, ponieważ w temperaturze wyższej wpływ hartujący boru staje się zbyt mały.

Jednak możliwe jest również otrzymanie elementu przez bezpośrednie chłodzenie z kształtowaniem na gorąco (bez ponownej austenityzacji), a w takim przypadku, nawet jeśli temperatura ogrzewania przed kształtowaniem przekracza temperaturę 1000°C, pozostając wciąż poniżej 1300°C, bor zachowuje wówczas swoje działanie.

Aby ochłodzić element do temperatury otoczenia od temperatury austenityzacji, można go hartować stosując wszystkie znane sposoby hartowania (gaz, olej, woda), podczas których prędkość chłodzenia jest wyższa od krytycznej prędkości bainitycznej.

Ewentualnie poddaje się następnie element klasycznemu odpuszczaniu w temperaturze niższej lub równej Ac1, ale preferuje się ograniczenie temperatury do 300°C, a nawet wyeliminowanie tego etapu. W rezultacie brak odpuszczania może być ewentualnie wyrównany przez zjawisko samo-odpuszczania. To zjawisko jest szczególnie chętnie stosowane doprowadzając do prędkości chłodzenia w niższej temperaturze (to jest poniżej około 500°C), korzystnie w zakresie od 0,07°C/s do 5°C/s, a korzystniej od 0,15°C/s do 2,5°C/s.

W tym celu można zastosować wszystkie znane ś rodki hartowania pod warunkiem ich kontrolowania, jeśli jest to niezbędne. Zatem można, na przykład, stosować hartowanie w wodzie, jeśli zwolni się prędkość chłodzenia wówczas gdy temperatura elementu spadnie poniżej 500°C, co będzie można dokonać zwłaszcza wyjmując element z wody, aby zakończyć hartowanie w powietrzu.

Otrzymuje się zatem element, a zwłaszcza blachę spawalną, utworzoną ze stali mającej strukturę bainityczną, martenzytyczną lub martenzytyczno-bainityczną w rdzeniu, zawierającą od 3% do 20% austenitu szczątkowego.

Obecność austenitu szczątkowego daje szczególną korzyść ze względu na zachowanie przez stal zdolności do spawania. W rezultacie, aby ograniczyć ryzyko pęknięć podczas spawania, i uzupełnić wyżej wymienione zmniejszenie hartowności strefy ZAT, obecność austenitu szczątkowego w metalu bazowym, w sąsiedztwie strefy ZAT, umożliwia związanie część wodoru rozpuszczonego, ewentualnie wprowadzonego przez operację spawania, gdyż wodór, który jeśli nie byłby tak związany, zwiększałby ryzyko pęknięcia.

Tytułem przykładu wytworzono małe wlewki ze stali 1 i 2 według wynalazku i ze stali A i B według stanu techniki, których składy, w tysięcznych częściach % wagowych, z wyjątkiem żelaza, są następujące:

	C	Si	B	Mn	Ni	Cr	Mo	W	V	Nb	Ti	Al	N
1	145	875	3	1160	180	1600	170	0	0	0	0	55	7
A	147	310	3	1140	210	1610	175	0	0	0	0	52	6
2	215	740	2	1120	190	1550	90	240	55	0	120	10	6
B	212	280	3	1090	200	1590	120	190	65	0	95	12	6

Po kuciu wlewków hartowność czterech stali została określona przez analizę dylatometryczną. Zainteresowanie skupia się, tytułem przykładu, na hartowności martenzytycznej, czyli krytycznej prędkości martenzytycznej V1 po austenityzacji w temperaturze 900°C w czasie 15 minut.

Z tej prędkości V1 wnioskuje się maksymalne grubości blach, które moż na otrzymać zachowując strukturę w zasadzie martenzytyczną w rdzeniu, i zawierającą również co najmniej 3% austenitu szczątkowego. Te grubości określone zostały dla przypadku hartowania w powietrzu (A), w oleju (H) i w wodzie (E).

PL 209 397 B1

Na koniec oceniono spawalność dwóch stali obliczając ich procentowy równoważnik węglowy według wzoru:

Ceq = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 + %Ni/15)

Cechy wlewków L1 i L2 według wynalazku i wlewków LA i LB, podanych tytułem porównania, są następujące:

Wlewek	o 0 < ΖΓ “^k	Grubość maksymalna (mm)	Ceq (%)
A	H	E
L1	12000	6	50	80	0,704
LA	30000	2	25	50	0,708
L2	7500	9	60	110	0,777
LB	17000	4	40	70	0,781

Stwierdzono, że krytyczne prędkości martenzytyczne elementów według wynalazku są nieco niższe od odpowiadających prędkości wlewków ze stali znanych ze stanu techniki, co oznacza, że ich hartowność została znacznie polepszona, podczas gdy w tym samym czasie ich spawalność pozostała niezmieniona.

Polepszenie hartowności umożliwia zatem wytwarzanie elementów o strukturze hartowanej w rdzeniu w mniej ostrych warunkach chłodzenia niż warunki znane ze stanu techniki, i/lub o większych grubościach maksymalnych.

Claims

1. Stal spawalna na elementy konstrukcyjne, znamienna tym, że jej skład chemiczny wagowo zawiera:

0,10% < C < 0,22%

0,50% < Si < 1,50%

Al < 0,9%

0% < Mn < 3%

0% < Ni < 5%

0% < Cr < 4%

0% < Cu < 1%

0% < Mo +W/2 < 1,5%

0,0005% < B < 0,010%

N < 0,025%, ewentualnie co najmniej jeden pierwiastek wybrany spośród V, Nb, Ta, S i Ca o zawartościach mniejszych od 0,3%, i/lub spośród Ti i Zr o zawartościach mniejszych lub równych 0,5%, a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym zawartości glinu, boru, tytanu i azotu, wyrażone w tysięcznych częściach %, spełniają ponadto następującą zależność:

B>-xK + 0,5 (1) gdzie: K = Min (I*; J*)

I* = Max (0; I) i J* - Max (0; J)

I = Min (N; N - 0,29 (Ti - 5))

J = Min (N ;0,5^ N - 0,52 Al+^( - 0,52 Al )² + 283 )j, a zawartości krzemu i glinu składu spełniają ponadto następujące warunki: jeśli C > 0,145 wtedy Si + Al < 0,95, zaś stal jest o strukturze bainitycznej, martenzytycznej lub martenzytyczno-bainitycznej i zawiera ponadto od 3% do 20% austenitu szczątkowego.

PL 209 397 B1

2. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że jej skład chemiczny spełnia ponadto następującą zależność:

1,1%Mn + 0,7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) > 1.

3. Stal według zastrz. 2, znamienna tym, że jej skład chemiczny spełnia ponadto następującą zależność:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) > 2.

4. Stal według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że jej skład chemiczny spełnia ponadto następującą zależność:

%Cr + 3(%Mo + %W/2) > 1,8.

5. Stal według zastrz. 4, znamienna tym, że jej skład chemiczny spełnia ponadto następującą zależność:

%Cr + 3(%Mo + %W/2) > 2,0.

6. Sposób obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych ze stali spawalnej, określonej w zastrz. 1 do 5, znamienny tym, że:

- austenityzuje się element przez ogrzewanie do temperatury zawartej między Ac3 i 1000°C, a następnie chłodzi się go do temperatury niższej lub równej 200°C tak, że w rdzeniu elementu stalowego prędkość chłodzenia między temperaturą 800°C i 500°C jest wyższa lub równa krytycznej prędkości bainitycznej,

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że w rdzeniu elementu konstrukcyjnego ze stali spawalnej prędkość chłodzenia między temperaturą 500°C i temperaturą niższą lub równą 200°C utrzymuje się między 0,07°C/s i 5°C/s.

8. Sposób według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że po przeprowadzeniu chłodzenia do temperatury niższej lub równej 200°C prowadzi się odpuszczanie w temperaturze niższej od 300°C w czasie krótszym od 10 godzin.

9. Sposób według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że po przeprowadzeniu chłodzenia do temperatury niższej lub równej 200°C nie przeprowadza się odpuszczania.

10. Sposób obróbki cieplnej blachy ze stali spawalnej, określonej w zastrz. 1 do 5, której grubość zawarta jest między 3 mm i 150 mm, znamienny tym, że przeprowadza się hartowanie tej blachy, przy czym prędkość chłodzenia VR w jej rdzeniu, w temperaturze między 800°C i 500°C, oraz skład stali są takie, że:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log VR > 5,5.

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że prędkość chłodzenia VR w rdzeniu blachy, w temperaturze między 800°C i 500°C, oraz skład stali są takie, że:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log VR > 6.