PL228168B1

PL228168B1 - Sposób wytwarzania struktury nanokrystalicznej w stali łozyskowej

Info

Publication number: PL228168B1
Application number: PL409206A
Authority: PL
Inventors: Elżbieta Jezierska; Elzbieta Jezierska; Julita Dworecka; Krzysztof Różniatowski; Krzysztof Rózniatowski; Wiesław Świątnicki; Wiesław Swiatnicki
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2018-02-28
Also published as: PL409206A1; WO2016028174A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania struktury nanokrystalicznej w handlowej stali łożyskowej na drodze przemian fazowych w trakcie obróbki cieplnej (hartowania z przystankiem izotermicznym w zakresie bainitycznym).

Z polskiego opisu zgłoszeniowego P. 396431 znany jest sposób obróbki cieplnej stali bainityczno-austenitycznej. Jest to sposób obróbki cieplnej wyrobów stosowany do stali średniostopowej o strukturze nanokompozytowej bainityczno-austenitycznej, polegający na tym, że składa się z pięciu operacji następujących kolejno i bezpośrednio po sobie: nagrzewania wyrobu do temperatury austenityzowania w zakresie 945-955°C, austenityzowania w temperaturze w zakresie 945-955°C w ciągu 10-60 minut, regulowanego chłodzenia od temperatury austenityzowania do temperatury przemiany izotermicznej, wygrzewania w temperaturze przemiany izotermicznej TPI w ciągu 50-70 godzin oraz chłodzenia w spokojnym powietrzu po zakończeniu wygrzewania izotermicznego.

Z publikacji WO2012031771A1 znana jest stal super bainityczna o składzie chemicznym (% wagowe): 0,4-1,1% C, 0,4-2,1% Mn, 0,15-1,2% Si, 0,0-2,0% Al, 0,01,4% Cr, 0,0-2,5%Ni, 0,0-0,6% Mo, 0,0-0,3% V, 0,0-3,0% Co, P<0,025%, S<0,025% oraz Fe i nieuniknione zanieczyszczenia. Wynalazek dotyczy także sposobu wytwarzania tej stali.

Z amerykańskiego opisu patentowego US20110126946 znana jest super bainityczna stal zawierająca od 90% do 50% bainitu (pozostała część to austenit), w której nadmiar węgla pozostaje częściowo rozpuszczony w ferrycie bainitycznym w stężeniu powyżej stężenia równowagowego, a częściowo wzbogaca austenit resztkowy wskutek procesu partycjonowania. Taka stal bainityczna składa się z bardzo drobnych płytek bainitycznych (o grubości 100 nm lub mniej). W szczególności w opisie omówiono znaczenie zawartości manganu - odpowiednia zawartość pozwala na przyspieszenie zajścia przemiany, a tym samym powoduje obniżenie kosztów produkcji eliminując konieczność wprowadzania drogich dodatków stopowych. Skład chemiczny super bainitycznej stali (% wagowe) to: 0,6-1,1% C, 1,5-2,0% Si, 0,5-1,8% Mn, do 3% Ni, 1,0-1,5% Cr, 0,2-0,5% Mo, 0,1-0,2% V oraz Fe i przypadkowe zanieczyszczenia. Szczególnie korzystne właściwości odnotowano dla omawianej stali o zawartości około 1% manganu. Omówiono też różne sposoby wytwarzania tej stali. Na szczególną uwagę zasługuje proces zawierający etap dostatecznie szybkiego chłodzenia stali, tak aby uniknąć przemiany perlitycznej a uzyskać strukturę bainityczną, w zakresie temperatur 190-250°C. Wynalazek opisuje także wpływ temperatury przemiany na twardość - omawiana stal poddana opisanym procesom zapewnia twardość powyżej 630 HV.

Znana jest z europejskiego opisu patentowego EP0896068 metoda całkowitego hartowania bainitycznego stali po austenityzacji, używanej na łożyska i inne elementy przenoszące obciążenia, w której 25-99% austenitu ulega przemianie w bainit w temperaturze nieco powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, w zakresie 180-280°C, w zależności od składu chemicznego stali, a następnie temperatura jest podwyższana w celu przyspieszenia przemiany pozostałego austenitu w bainit.

Z amerykańskiego opisu patentowego US6884306 znana jest metoda obróbki cieplnej prowadząca do wytworzenia głównie struktury bainitycznej w stali o składzie chemicznym (% wag): 0,6-1,1% C, 1,5-2,0% Si, 1,8-4,0% Mn, 1,2-1,4% Cr, 0,0-3,0% Ni, 0,2-0,5% Mo, 0,1-0,2% V oraz Fe i nieuniknione zanieczyszczenia, składająca się z następujących etapów: homogenizacja stali w temperaturze minimum 1150°C przez minimum 24 h, chłodzenie stali na powietrzu, poddanie stali działaniu temperatury z zakresu od 900 do 1000°C, izotermiczne wytrzymanie stali w temperaturze z zakresu od 190 do 260°C przez 1-3 tygodni.

Z powyższego opisu znana jest również metoda obróbki cieplnej prowadząca do wytworzenia głównie struktury bainitycznej w stali o składzie chemicznym (% wag): 0,7-0,9% C, 1,5-1,7% Si, 1,9-2,2% Mn, 1,25-1,4% Cr, 0,0-0,05% Ni, 0,25-0,35% Mo, 0,1-0,15% V oraz Fe i nieuniknione zanieczyszczenia, składająca się z następujących etapów: homogenizacja stali w temperaturze minimum 1150°C przez minimum 24 h, chłodzenie stali na powietrzu, poddanie stali działaniu temperatury z zakresu od 900 do 1000°C, izotermiczne wytrzymanie stali w temperaturze z zakresu od 190 do 260°C przez 1-3 tygodni.

Sposób według wynalazku jest procesem składającym się z pięciu zabiegów cieplnych, następujących bezpośrednio po sobie.

Sposób wytwarzania struktury nanokrystalicznej w stali łożyskowej, polega na tym, że element ze stali łożyskowej o składzie chemicznym w % wagowych: 0,93-1,10% C, 0,4-0,75% Si, 0,95-1,25% Mn,

PL228 168 Β1

1,30-1,65% Cr, do 0,027% P, do 0,02% S, do 0,3% Ni, do 0,25% Cu, reszta żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia, nagrzewa się do temperatury w zakresie 900-940°C i wytrzymuje go w tej temperaturze przez czas 10-45 minut, następnie element chłodzi się do temperatury wytrzymania izotermicznego z zakresu 300-350°C, tj. powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej ale poniżej temperatury początku przemiany bainitycznej, z szybkością pozwalającą na uniknięcie zajścia przemiany perlitycznej, tj. z szybkością większą od szybkości krytycznej uniemożliwiającą zajście przemian dyfuzyjnych, wynoszącą od 8 do 12°C/s w zależności od wielkości elementu oraz składu chemicznego stali, po czym element wytrzymuje się w temperaturze przystanku izotermicznego przez czas 5-8 godzin, a następnie chłodzi do temperatury pokojowej na powietrzu.

Technologia będąca przedmiotem wynalazku jest procesem krótkotrwałym w porównaniu do innych, opisanych w literaturze procesów nanostrukturyzacji stali. W literaturze można znaleźć wiele doniesień o próbach wytworzenia struktur nanokrystalicznych w różnych stalach, jednakże proponowane procesy hartowania izotermicznego trwają kilkadziesiąt godzin, niekiedy kilka dni, a nawet tygodni. Technologia według wynalazku jest procesem kilkugodzinnym (poniżej 9 h). Czas ten zapewnia otrzymanie stabilnej struktury.

Po procesie według wynalazku w stali łożyskowej uzyskuje się strukturę nanobainityczną (ferrytyczno-austenityczną), charakteryzującą się naprzemiennie ułożonymi płytkami austenitu o szerokości poniżej 100 nm porozdzielanymi warstwami ferrytu o nanometrycznej grubości oraz brakiem wydzieleń węglików (głównie cementytu - typowego dla tradycyjnych struktur bainitycznych). Szacowany udział uzyskiwanej struktury nanobainitycznej to ponad 60%.

Stal łożyskowa o strukturze nanobainitycznej charakteryzuje się korzystnymi parametrami wytrzymałościowymi w porównaniu do stali z inną strukturą bainityczną, co przedstawia poniższa tabela.

Tabela

Parametry wytrzymałościowe stali łożyskowej o różnych typach struktur bainitycznych.

	Bainit dolny	Bainit ferrytyczno- austenityczny	Nanobainit ferrytyczno-austenityczny według wynalazku
KV [J]	4	7	8,5
HV2	664	542	540
Rm [MPa]	pękanie	1730	1780
R₀₂[MPa]	w zakresie	1302	1380
R_u [MPa]	sprężystym	1580	1600
A [%]	-	6	7

Stal łożyskowa o strukturze nanobainitycznej uzyskana w procesie będącym przedmiotem wynalazku cechuje się twardością na poziomie 540 HV, przy maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie na poziomie 1780 MPa i wydłużeniu rzędu 7%.

Opracowana technologia nanostrukturyzacji stali jest alternatywną technologią do aktualnie stosowanej obróbki cieplnej (hartowania i odpuszczania). Oprócz korzystnych parametrów wytrzymałościowych, technologia nanostrukturyzacji gwarantuje również minimalizację odkształceń hartowniczych obrabianych elementów w porównaniu do hartowania martenzytycznego i odpuszczania.

Przedmiot wynalazku został zilustrowany na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia na wykresie przebieg procesu w czasie, a Fig. 2 przedstawia strukturę nanobainityczną stali otrzymanej sposobem według wynalazku.

Przykład

Zastosowano stal handlową o składzie chemicznym w % wagowych: 0,96% C, 0,55% Si, 1,10% Mn, 1,50% Cr, 0,01% P, 0,01% S, 0,11% Ni, 0,17% Cu, reszta żelazo i nieuniknione zanieczyszczę4

PL 228 168 B1 nia. Przeprowadzono proces, w którym zastosowano temperaturę austenityzacji na poziomie 930°C i czas austenityzacji 30 minut. Następnie przeprowadzono chłodzenie do temperatury wytrzymania izotermicznego 320°C z prędkością 9°C/s oraz wytrzymywano w tej temperaturze przez 6 h. Ostatnim etapem było chłodzenie na powietrzu do temperatury pokojowej. W rezultacie otrzymano stal o strukturze nanobainitycznej, która cechuje się korzystnymi parametrami wytrzymałościowymi w porównaniu z innymi typami struktur bainitycznych - świadczy o tym porównanie właściwości wytrzymałościowych przedstawione w tabeli. Otrzymano zawartość struktury nanobainitycznej rzędu 80%.

Przeprowadzono również szereg procesów z zastosowaniem różnych parametrów (temperatur i czasów) mieszczących się w proponowanych w opisie zakresach i za każdym razem uzyskano co najmniej 60% struktury nanobainitycznej.

Dodatkowo, w celach porównawczych, zastosowano inne niż według wynalazku parametry hartowania z przystankiem izotermicznym, co spowodowało powstanie różnych typów struktur bainitycznych takich jak: bainit dolny czy bainit ferrytyczno-austenityczny (strukturę bainitu dolnego otrzymano w procesie, w którym zastosowano niższą temperaturę wytrzymania izotermicznego - 260°C - niż zalecana w opisie wynalazku, zaś strukturę bainitu ferrytyczno-austenitycznego uzyskano w procesie, w którym zastosowano krótszy czas wytrzymania izotermicznego niż wskazany w opisie wynalazku).

Claims

1. Sposób wytwarzania struktury nanokrystalicznej w stali łożyskowej, znamienny tym, że element ze stali łożyskowej o składzie chemicznym w % wagowych: 0,93-1,10% C, 0,4-0,75% Si, 0,95-1,25% Mn, 1,30-1,65% Cr, do 0,027% P, wagowych, do 0,02% S, do 0,3% Ni, do 0,25% Cu, reszta żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia, nagrzewa się do temperatury w zakresie 900-940°C i wytrzymuje go w tej temperaturze przez czas 10-45 minut, następnie element chłodzi się do temperatury wytrzymania izotermicznego z zakresu 300-350°C, tj. powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej ale poniżej temperatury początku przemiany bainitycznej, z szybkością pozwalającą na uniknięcie zajścia przemiany perlitycznej, tj. z szybkością większą od szybkości krytycznej uniemożliwiającą zajście przemian dyfuzyjnych, wynoszącą od 8 do 12°C/s w zależności od wielkości elementu oraz składu chemicznego stali, po czym element wytrzymuje się w temperaturze przystanku izotermicznego przez czas 5-8 godzin, a następnie chłodzi do temperatury pokojowej na powietrzu.