PL232433B1 - Sposób obróbki cieplnej złącza spawanego blach ze stali martenzytycznej o podwyższonej odporności na zużywanie ścierne - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej złącza spawanego blach ze stali martenzytycznej o podwyższonej odporności na zużywanie ścierne o grubości od 10 do 14 mm i wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym C - 0.40-0.45: Si - 0.13-0.18: Mn - 0.50-0.55: P - max. 0,015; S - max. 0.010; Cr - 0.30-0.35; Ni - 1.95-2.10; Mo - 0.13-0.15; B - 0.002-0.004. charakteryzującym się równoważnikiem węgla CEV<0,76, dający wytrzymałość na rozciąganie (Rm) min. 1380 MPa i udarność (KCV+20) min. 40 J/cm².

Na przestrzeni ostatnich dwóch dekad, bardzo dużą popularność zyskują odporne na zużywanie ścierne, stale martenzytyczne z borem. Cechą charakterystyczną takich stali, oprócz wysokiej ich odporności na zużywanie ścierne, są także bardzo dobre, pozostałe charakteryzujące stal, właściwości mechaniczne, uzyskiwane przez wytwarzanie jednorodnych struktur na całym przekroju blach z tych stali. Omawiana stal swoje właściwości mechaniczne zawdzięcza zależnemu od grubości blach, ściśle dobranemu składowi chemicznemu, a zwłaszcza obecności boru jako mikrododatku oraz obniżonej zawartości fosforu i siarki. Pożądane właściwości tych stali uzyskuje się także poprzez poddanie ich obróbce cieplnej bądź cieplno-plastycznej.

Spawanie wciąż należy do najpowszechniejszych metod łączenia stali, a ich obróbka cieplna jak normalizowanie, hartowanie czy odpuszczanie należy do najpopularniejszych zabiegów uzyskiwania zmian strukturalnych w stali. skutkujących osiąganiem odpowiednich własności mechanicznych.

W procesach cieplnych zachodzących podczas spawania, w strefach wpływu ciepła następuje degradacja struktur spawanych stali. Skutkuje to znacznymi zmianami poziomów twardości, a także lokalną utratą odporności na procesy zużycia ściernego. W literaturze przedmiotu dotyczącym obróbki stali martenzytycznych oraz stali ulepszanych cieplnie przyjmuje się, iż:

- w strefie wpływu ciepła (SWC) występuje problem „warstwy rozhartowanej” („warstwy miękkiej”), która decyduje o wytrzymałości całej konstrukcji,

- w strefie wpływu ciepła złączy ze stali, które przed spawaniem były tylko poddane hartowaniu lub hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu, następują zmiany prowadzące do powstania stref o obniżonej twardości i wytrzymałości na rozciąganie wynikające z procesów odpuszczania w zakresie temperatur 250-Aci.

- poprzez odpowiedni dobór składu chemicznego materiałów dodatkowych oraz optymalnie dobrane warunki i parametry spawania, możliwe jest uzyskanie w SWC struktur i właściwości mechanicznych zbliżonych do materiału rodzimego,

- zastosowanie ograniczonej energii liniowej podczas spawania umożliwia uzyskanie wąskiej strefy zdegradowanej („warstwa miękka”), nie przekładającej się na obniżenie własności mechanicznych złącza.

Z chińskiego opisu wynalazku CN102230135 znana jest obróbka cieplna martenzytycznej stali odpornej na ścieranie o składzie chemicznym: C 0,30-0.35; Si 0.6-1.2; Mn 1.0-1.5; Cr 2.5-3.5; B 0.003 -0.007; Ti 0.03-0.06; Re 0.1-0.15; Al 0.01-0.03; S<0.035; P<0.035. Obróbka cieplna składała się z następujących zabiegów: hartowanie po austenityzowaniu w temperaturze 1000 - 1050°C od 2 do 4 godzin. Do temperatury austenityzowania podgrzewa się próbkę umieszczoną w piecu nagrzanym do temperatury 650°C. Proces odpuszczania w temperaturze 170%-200°C w czasie od 5 do 8 godzin realizowany jest po co najmniej dwóch godzinach od hartowania.

Z chińskiego opisu wynalazku CN106011398 znane są trzy sposoby obróbki cieplnej stali odpornej na ścieranie: C - 0.38%. Si - 1.25%. Mn - 1.10%. Cr min. 0.77%. Mo 0.18%. Cu 0.50%. Re 0.08%. P max. 0,025%, S max. 0,025%. Pierwsza z metod polega na austenityzowaniu w temperaturze 830°C przez 55 minut, hartowaniu izotermicznym w temperaturze 260°C przez 5 minut w kąpieli solnej 50% KNO3 + 50% NaNO3 i odpuszczaniu w temperaturze 300°C przez 90 minut. W wyniku powyższej obróbki cieplnej uzyskuje się twardość 50-55 HRC i udarność 30-35 J/cm². Kolejny zaprezentowany sposób obróbki cieplnej tej stali polega na austenityzowaniu w temperaturze 880°C przez 48 minut. hartowaniu izotermicznym w temperaturze 240°C przez 3 minuty w kąpieli solnej 50% KNO3 + 50% NaNO3 i odpuszczaniu w temperaturze 350°C przez 40 minut. W wyniku powyższej obróbki cieplnej uzyskuje się twardość 43 - 47 HRC i udarność 23 - 28 J/cm². Ostatni sposób obróbki cieplnej ujawniony w tym wynalazku polega na austenityzowaniu w temperaturze 850°C przez 50 minut, hartowaniu izotermicznym w temperaturze 290°C przez 1 minutę w kąpieli solnej 50% KNO3 + 50% NaNO3 i odpuszczaniu w temperaturze 320°C przez 60 minut. W wyniku powyższej obróbki cieplnej uzyskuje się twardość 45 - 49 HRC i udarność 25 - 30 J/cm².

PL 232 433 B1

Wadą większości stosowanych dotychczas rozwiązań spawania stali o wysokiej odporności na zużywanie ścierne jest powstawanie w miejscu spawanego złącza stref obniżonej twardości materiału.

Celem wynalazku jest rozwiązanie pozwalające na uzyskanie przez obróbkę cieplną złącza spawanego mającego na całej długości strukturę i właściwości mechaniczne zbliżone do struktury i właściwości mechanicznych materiału rodzimego.

Złącze spawane stali Hardox 600 otrzymywane dotychczas znanymi technikami spawania i obróbki cieplnej jest kruche, przez co podatne na pęknięcia oraz posiada szerokie strefy obniżonej twardości w stosunku do materiału rodzimego. W związku z powyższym, szczegółowym celem wynalazku jest rozwiązanie pozwalające na takie spawanie stali Hardox 600 oraz obróbkę cieplną otrzymywanego złącza spawanego, aby nie zawierało powyższych wad.

Sposób obróbki cieplnej złącza spawanego blach ze stali martenzytycznej o podwyższonej odporności na zużywanie ścierne, w którym dla wytworzenia złącza spawanego blachę ze stali martenzytycznej o podwyższonej odporności na zużywanie ścierne o grubości od 10 do 14 mm i wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym C 0.40-0.45: Si - 0.13-0.18: Mn - 0.50-0.55: P - max. 0,015; S - max. 0.010; Cr - 0.30-0.35; Ni 1.95-2.10; Mo - 0.13-0.15; B - 0.002-0,004 o równoważniku węgla CEV<0,76, spawa się z prędkością v < 140 mm/min., przy znamionowym napięciu prądu luku elektrycznego: U = 9.5 V i energii liniowej: Q < 0.5 kJ/mm. stopiwem w proporcji 80-85% stopiwa ENISO 16834-A GMn4Ni₂CrMo i 15-20% stopiwa EN ISO 14341-A G3Si1, elektrodą wolframową z tlenkiem toru przy natężeniu prądu dla poszczególnych warstw spoiny do 90A i utrzymywaniu temperatury międzywarstwowej w zakresie 250°C < Ti < 400°C, przy czym proces spawania prowadzi się w przepływie gazu osłonowego w postaci argonu przepuszczanego w ilości od 9 do 11 L/min. według wynalazku charakteryzuje się tym, iż otrzymane złącze poddaje się normalizowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 900-920°C przez 60 min., a następnie chłodzenie na powietrzu, kolejno hartowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 930-940°C przez 15-20 min., a następnie chłodzenie w oleju mineralnym o lepkości kinematycznej w zakresie 18-22 mm²/s o temperaturze <40°C oraz odpuszczaniu w temperaturze 200-220°C przez 120 min., po którym złącze chłodzi się na powietrzu. Korzystnie blacha ma grubość 12 mm.

Schemat wykonywanych złącz spawanych został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia sposób przygotowania blachy do spawania a fig. 2 schemat nakładania stopiwa podczas spawania: A stopiwo G3Si1. B - stopiwo GMn4Ni2CrMo, gdzie linie 1,2, 3 są liniami wykonanych rozkładów twardości.

P r z y k ł a d 1

W przykładzie realizacji pierwszym według wynalazku metodą TIG arkusze blachy ze stali Hardox 600, o wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym C - 0.40-0.45; Si - 0.13-0.18; Mn 0.50-0.55; P - max. 0.015; S - max. 0.010; Cr 0.30-0.35; Ni - 1.95-2.10; Mo - 0.13-0.15; B 0.002-0,004 o równoważniku węgla CEV<0,76 i grubości 12 mm łączy się spoiną obustronną jednościegową wielowarstwową, według następujących, gwarantujących prawidłowy przetop blach, parametrów:

- typ elektrody nietopliwej: wolframowa z tlenkiem toru.

- maksymalne natężenie prądu dla poszczególnych warstw spoiny: I = 90 A,

- napięcie prądu łuku elektrycznego: U = 9.5 V.

- przybliżona prędkość spawania: v ok. 140 mm/min..

- gaz osłonowy: 100% argon,

- przepływ gazu osłonowego: 10 L/min.,

- temperatura międzywarstwowa: Ti < 400°C,

- energia liniowa: Q < 0.5 kJ/mm.

- stopiwo w proporcji 80% OK Aristorod 89 (GMn4Ni2CrMo) i 20% UltraMag (G3Si1).

W utworzonym według powyższych parametrów złączu, wykonywanym zgodnie z zaleceniem producenta, w całym obszarze występują zróżnicowane zmiany mikrostruktury, skutkujące lokalnym obniżeniem poziomów twardości i wytrzymałości w stosunku do materiału rodzimego.

W celu ich wyeliminowania, po spawaniu przeprowadza się obróbkę cieplną złącza według następujących parametrów:

- normalizowanie: austenityzowanie w temperaturze 900°C przez 60 min., chłodzenie na powietrzu do temperatury otoczenia.

- hartowanie: austenityzowanie w temperaturze 930°C przez 15 min., chłodzenie w oleju mineralnym o lepkości kinematycznej ok. 20 mm²/s o temperaturze 40°C,

PL 232 433 B1

- odpuszczanie: w temperaturze 200°C przez 120 min., chłodzenie na powietrzu do temperatury otoczenia.

Zrealizowane zabiegi cieplne, według powyższych parametrów, pozwoliły uzyskać struktury zbliżone, w całej strefie złącza spawanego, do struktury materiału rodzimego oraz wyeliminowały zasadniczo z całego obszaru złącza spawanego, strefy obniżonej twardości. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na uzyskanie złącza spawanego, cechującego się korzystnymi wskaźnikami wytrzymałościowymi Rm=1386 MPa, średniej twardość 500HV przy zachowaniu udarności KCV+20=42 J/cm².

P r z y k ł a d 2

W przykładzie realizacji drugim według wynalazku metodą TIG arkusze blachy ze stali Hardox 600, o wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym C 0,40-0,45; Si - 0,13-0,18; Mn0,50-0,55; P - max. 0,015; S - max. 0,010; Cr 0,30-0,35; Ni 1,95-2,10; Mo - 0,13-0,15; B 0,002-0,004 o równoważniku węgla CEV<0,76 i grubości 11 mm połączono spoiną obustronną jednościegową wielowarstwową, według następujących, gwarantujących prawidłowy przetop blach, parametrów:

- typ elektrody nietopliwej: wolframowa z tlenkiem toru,

- maksymalne natężenie prądu dla poszczególnych warstw spoiny: I = 85 A,

- napięcie prądu łuku elektrycznego: U = 9,5 V,

- przybliżona prędkość spawania: v ok. 130 mm/min.,

- gaz osłonowy: 100% argon,

- przepływ gazu osłonowego: 9 L/min.,

- temperatura międzywarstwowa: Ti < 400°C,

- energia liniowa: Q < 0,5 kJ/mm,

- stopiwo w proporcji 85% OK Aristorod 89 (GMn4Ni2CrMo) i 15% UltraMag (G3Si1).

Kolejno, złącze poddano obróbce cieplnej według następujących parametrów:

- normalizowanie: austenityzowanie w temperaturze 920°C przez 60 min., chłodzenie na powietrzu do temperatury otoczenia,

- hartowanie: austenityzowanie w temperaturze 940°C przez 20 min., chłodzenie w oleju mineralnym o lepkości kinematycznej ok, 20 mm²/s o temperaturze 30°C,

- odpuszczanie; w temperaturze 220°C przez 120 min., chłodzenie na powietrzu do temperatury otoczenia.

Zrealizowane zabiegi cieplne, według powyższych parametrów, pozwoliły uzyskać struktury zbliżone, w całej strefie złącza spawanego, do struktury materiału rodzimego oraz wyeliminowały zasadniczo z całego obszaru złącza spawanego, strefy obniżonej twardości. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na uzyskanie złącza spawanego, cechującego się korzystnymi wskaźnikami wytrzymałościowymi, Rm=1380 MPa, średniej twardość powyżej 500HV przy zachowaniu udarności KCV+20=40 J/cm², Obróbka cieplna złącza spawanego realizowana według różnych kombinacji parametrów z zakresów wskazanych w zastrzeżeniu patentowym każdorazowo pozwala na uzyskanie złącza spawanego cechującego się wskaźnikiem wytrzymałości na poziomie Rm=1380 MPa i średnią twardością powyżej 500HV przy zachowaniu udarności KCV+20=40 J/cm².

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób obróbki cieplnej złącza spawanego blach ze stali martenzytycznej o podwyższonej odporności na zużywanie ścierne, w którym dla wytworzenia złącza spawanego blachę ze stali martenzytycznej o podwyższonej odporności na zużywanie ścierne o grubości od 10 do 14 mm i wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym C - 0,40-0,45; Si 0,13-0,18; Mn - 0,50-0,55; P - max. 0,015; S - max, 0,010; Cr - 0,30-035; Ni - 1,95-2,10; Mo -0,13-0,15; B - 0,002-0,004 o równoważniku węgla CEV<0,76, spawa się z prędkością v < 140 mm/min., przy znamionowym napięciu prądu łuku elektrycznego; U = 9,5 V i energii liniowej : Q < 0,5 kJ/mm, stopiwem w proporcji 80-85% stopiwa EN-ISO 16834-A GMn4Ni2CrMo i 15-20% stopiwa EN ISO 14341-A :G3Si1, elektrodą wolframową z tlenkiem toru przy natężeniu prądu dla poszczególnych warstw spoiny do 90 A i utrzymywaniu temperatury między warstwowej w zakresie 250°C < Ti < 400°C, przy czym proces spawania prowadzi się w przepływie gazu osłonowego w postaci argonu przepuszczanego w ilości od 9 do

   PL 232 433 Β1

   11 L/min., znamienny tym, że otrzymane złącze poddaje się normalizowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 900-920°C przez 60 min,, a następnie chłodzenie na powietrzu, kolejno hartowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 930-940°C przez 15-20 min., a następnie, chłodzenie w oleju mineralnym o lepkości kinematycznej w zakresie 18-22 mm²/s o temperaturze < 40°C, oraz odpuszczaniu w temperaturze 200-220°C przez 120 min., po którym złącze chłodzi się na powietrzu.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że blacha ma grubość 12 mm.