PL239108B1 - Sposób spawania i obróbki cieplnej wysokowytrzymałych blach z martenzytycznej stali odpornej na zużywanie ścierne z borem - Google Patents

Abstract

Sposób spawania i obróbki cieplnej wysokowytrzymałych blach z martenzytycznej stali odpornej na zużywanie ścierne z borem, w którym dla wytworzenia złącza spawanego blachę ze stali martenzytycznej o grubości 10 mm i wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym: C — 0,44÷0,48; Si - 0,15÷0,50; Mn – 0,45÷0,52; P - max. 0,015; S - max. 0,010; Cr – 0,82÷0,90; Ni - 1,90÷2,10; Mo — 0,13÷0,15; B — max.0,005, o równoważniku węgla CEV≤0,91, spawa się metodą SAW (121) drutem elektrodowym S3Ni2,5CrMo wraz z wysokozasadowym, aglomerowanym topnikiem MgO+CaF2+Al2O3+SiO2, stosując parametry spawania: prędkość spawania ~60 cm/min., znamionowy prąd łuku elektrycznego I = 530÷630 A, napięcie łuku elektrycznego U = 31,5÷33 V, energia liniowa Q ≤2,0kJ/mm, temperatura międzywarstwowa Ti <250°C, charakteryzuje się tym, że otrzymane złącze poddaje się normalizowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 800÷820°C przez 60 min., z chłodzeniem na wolnym powietrzu; kolejno hartowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 830÷850°C przez 15÷20 min., a następnie chłodzenie w oleju o lepkości kinematycznej 20-50 mm2/s i temperaturze ≤50°C; oraz odpuszczaniu w temperaturze 100°C przez 24 godziny, po którym złącze chłodzi się na powietrzu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób spawania i obróbki cieplnej wysokowytrzymałych blach o grubości 10 mm z martenzytycznej stali Hardox Extreme odpornej na zużywanie ścierne z borem, o wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym: C - 0,44-0,48; Si - 0,15-0,50;

Mn - 0,45-0,52; P - max. 0,015; S - max. 0,010; Cr - 0,82-0,90; Ni - 1,90-2,10; Mo - 0,13-0,15; B - max. 0,005, charakteryzującej się równoważnikiem węgla CEV < 0,91, dającym wytrzymałość na rozciąganie (Rm) min. 1800 MPa i średnią wartość udarności (KCV+20) min. 27 J/cm².

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 zużywanie ścierne. W literaturze przedmiotu dotyczącej obróbki cieplnej stali martenzytycznych oraz stali ulepszanych cieplnie przyjmuje się, iż:

- w strefie wpływu ciepła występuje problem „warstwy rozhartowanej”, która decyduje o wytrzymałości całej konstrukcji;

- w strefie wpływu ciepła połączeń 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 strefie wpływu ciepła struktur i właściwości mechanicznych zbliżonych do materiału rodzimego bez stosowania dodatkowych zabiegów.

Z chińskiego opisu wynalazku CN102230135 znana jest obróbka cieplna martenzytycznej stali odpornej na ścieranie o składzie chemicznym wyrażonym w procentach wagowych: 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 - 0,10-0,15;

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 o procentowym składzie wagowym: 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% NaNOs 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.

Znany jest również z polskiego zgłoszenia wynalazku P.422170 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 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 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. Otrzymane złącze spawane poddaje się normalizowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 900-920°C przez 60 min,

PL 239 108 B1 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. Powyższe rozwiązanie dla stali Hardox 600 pozwala na uzyskanie złącza spawanego cechującego się wskaźnikiem wytrzymałości na poziomie Rm = 1380 MPa i średnią twardością powyżej 500 HV przy zachowaniu udarności KCV+20 = 40 J/cm².

Wadą większości stosowanych dotychczas rozwiązań spawania stali o wysokiej odporności na zużywanie ścierne jest powstawanie w spoinie stref obniżonej twardości i wytrzymałości.

Złącze spawane stali Hardox Extreme otrzymywane dotychczas znanymi technikami spawania i obróbki cieplnej jest podatne do zimnego pękania oraz posiada szerokie w stosunku do materiału rodzimego strefy obniżonej twardości.

Celem wynalazku jest rozwiązanie pozwalające na uzyskanie przez odpowiedni dobór techniki spawalniczej i obróbkę cieplną złącza spawanego o strukturze i właściwościach mechanicznych zbliżonych do struktury i właściwości mechanicznych materiału rodzimego.

Celem wynalazku jest rozwiązanie pozwalające na takie spawanie i późniejszą obróbkę cieplną stali Hardox Extreme, aby zminimalizować występowanie powyższych niedogodnych cech.

Sposób spawania i obróbki cieplnej wysokowytrzymałych blach z martenzytycznej stali odpornej na zużywanie ścierne z borem, w którym dla wytworzenia złącza spawanego blachę ze stali martenzytycznej o grubości 10 mm i wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym: C - 0,44-0,48; Si - 0,15-0,50; Mn - 0,45-0,52; P - max. 0,015; S - max. 0,010; Cr - 0,82-0,90; Ni - 1,90-2,10; Mo - 0,13-0,15; B - max. 0,005, i o równoważniku węgla CEV < 0,91, spawa się metodą SAW (121) drutem elektrodowym S3Ni2,5CrMo zgodnie z EN ISO26304 wraz z wysokozasadowym, aglomerowanym topnikiem MgO+CaF2+Al2O3+SiO2, stosując parametry spawania: prędkość spawania ~60 cm/min, znamionowy prąd łuku elektrycznego I = 530-630 A, napięcie łuku elektrycznego U = 31,5-33 V, energia liniowa Q < 2,0 kJ/mm, temperatura międzywarstwowa Ti < 250°C, według wynalazku charakteryzuje się tym, iż otrzymane złącze poddaje się normalizowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 800-820°C przez 60 min, z chłodzeniem na wolnym powietrzu; kolejno hartowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 830-850°C przez 15-20 min, a następnie chłodzenie w oleju o lepkości kinematycznej 20-50 mm²/s i temperaturze < 50°C; oraz odpuszczaniu w temperaturze 100°C przez 24 godziny, po którym złącze chłodzi się na powietrzu.

P r z y k ł a d 1

W przykładzie pierwszym realizacji wynalazku, arkusze blachy o grubości 10 mm ze stali Hardox Extreme, o wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym: C - 0,47; Si - 0,16; Mn - 0,52; P - 0,01; S - 0,001; Cr - 0,89; Ni - 1,96; Mo - 0,13; B - 0,0025 oraz równoważniku węgla CEV = 0,90, łączy się metodą SAW (121) spoiną dwustronną, jednościegową, jednowarstwową, według następujących parametrów gwarantujących prawidłowy przetop blach:

- typ spoiny: BW (czołowa);

- pozycja spawania: PA (podolna);

- średnica elektrody: 3,0 mm;

- napięcie łuku elektrycznego (spoina 1/2): 31,5/33 V;

- natężenie prądu (spoina 1/2): 530/630 A;

- biegunowość: DC (+);

- prędkość spawania: ~60 cm/min;

- drut elektrodowy: OK Autrod 13.43 (S3Ni2,5CrMo wg EN ISO 26304);

- topnik: OK Flux 10.62 (MgO+CaF2+Al2O3+SiO2);

- podgrzewanie wstępne: brak;

- energia liniowa Q < 2,0 kJ/mm;

- temperatura międzywarstwowa: < 250°C;

- przygotowanie krawędzi blach do spawania (ukosowanie): brak.

W utworzonym według powyższych parametrów, zgodnie z zaleceniami producenta, złączu spawanym, bezpośrednio po spawaniu, 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 800°C przez 60 min, chłodzenie na powietrzu do temperatury otoczenia;

PL 239 108 B1

- hartowanie: austenityzowanie w temperaturze 830°C przez 20 min, chłodzenie w oleju hartowniczym o lepkości kinematycznej 20 mm²/s o temperaturze < 50°C, złącze spawane chłodzi się do temperatury < 50°C;

- odpuszczanie (odprężanie): w temperaturze 100°C przez 24 godziny, chłodzenie do temperatury otoczenia na wolnym powietrzu.

Zrealizowane według powyższych parametrów zabiegi cieplne pozwoliły uzyskać w całej strefie złącza spawanego morfologicznie zbliżone do siebie mikrostruktury, korespondujące z mikrostrukturą materiału rodzimego, a także wyeliminowały zasadniczo z całego obszaru złącza spawanego strefy bardzo niskiej twardości. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na uzyskanie złącza spawanego cechującego się korzystnymi wskaźnikami wytrzymałościowymi, to jest wytrzymałością na rozciąganie Rm = 1824 MPa, minimalną twardością 541 HV, przy zachowaniu udarności KCV+20 = 27 J/cm².

P r z y k ł a d 2

W przykładzie drugim realizacji wynalazku, arkusze blachy o grubości 10 mm ze stali Hardox Extreme, o wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym: C - 0,44; Si - 0,16; Mn - 0,49; P - 0,006; S - 0,002; Cr - 0,83; Ni - 2,01; Mo - 0,14; B - 0,0021 oraz równoważniku węgla CEV = 0,86, łączy się metodą SAW (121) spoiną dwustronną, jednościegową, jednowarstwową, według następujących parametrów gwarantujących prawidłowy przetop blach:

- typ spoiny: BW (czołowa);

- pozycja spawania: PA (podolna);

- średnica elektrody: 3,0 mm;

- napięcie łuku elektrycznego (spoina 1/2): 31,5/33 V;

- natężenie prądu (spoina 1/2): 530/630 A;

- biegunowość: DC (+);

- prędkość spawania: ~60 cm/min;

- drut elektrodowy: OK Autrod 13.43 (S3Ni2,5CrMo wg EN ISO 26304);

- topnik: OK Flux 10.62 (MgO+CaF2+Al2O3+SiO2);

- podgrzewanie wstępne: brak;

- energia liniowa Q < 2,0 kJ/mm;

- temperatura międzywarstwowa: < 250°C;

- przygotowanie krawędzi blach do spawania (ukosowanie): brak.

W utworzonym według powyższych parametrów złączu, bezpośrednio po spawaniu, 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 820°C przez 60 min, chłodzenie na powietrzu do temperatury otoczenia;

- hartowanie: austenityzowanie w temperaturze 850°C przez 20 min, chłodzenie w oleju hartowniczym o lepkości kinematycznej 30 mm²/s i temperaturze < 50°C, złącze spawane chłodzi się do temperatury < 50°C;

- odpuszczanie (odprężanie): w temperaturze 100°C przez 24 godziny, chłodzenie do temperatury otoczenia na wolnym powietrzu.

Zrealizowane według powyższych parametrów zabiegi cieplne pozwoliły uzyskać w całej strefie złącza spawanego morfologicznie zbliżone do siebie mikrostruktury, korespondujące z mikrostrukturą materiału rodzimego, a także wyeliminowały zasadniczo z całego obszaru złącza spawanego strefy bardzo niskiej twardości. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na uzyskanie złącza spawanego cechującego się korzystnymi wskaźnikami wytrzymałościowymi, to jest wytrzymałością na rozciąganie Rm = 1809 MPa, minimalną twardością 540 HV, przy zachowaniu udarności KCV+20 = 28 J/cm².

P r z y k ł a d 3

Rozwiązanie według wynalazku w przykładzie wykonania trzecim realizuje się jak w przykładzie wykonania pierwszym z tą różnicą, iż złącze spawane blach z przykładu pierwszego w celu wyeliminowania zmian mikrostruktury poddaje się obróbce cieplnej według następujących parametrów: - normalizowanie: austenityzowanie w temperaturze 820°C przez 60 min, chłodzenie na powietrzu do temperatury otoczenia;

PL 239 108 B1

- hartowanie: austenityzowanie w temperaturze 850°C przez 15 min, chłodzenie w oleju hartowniczym o lepkości kinematycznej 40 mm²/s o temperaturze < 50°C, złącze spawane chłodzi się do temperatury < 50°C;

- odpuszczanie (odprężanie): w temperaturze 100°C przez 24 godziny, następnie chłodzenie do temperatury otoczenia na wolnym powietrzu.

Zrealizowane według powyższych parametrów zabiegi cieplne pozwoliły uzyskać w całej strefie złącza spawanego morfologicznie zbliżone do siebie mikrostruktury, korespondujące z mikrostrukturą materiału rodzimego, a także wyeliminowały zasadniczo z całego obszaru złącza spawanego strefy bardzo niskiej twardości. Obróbka cieplna pozwoliła na uzyskanie złącza spawanego cechującego się korzystnymi wskaźnikami wytrzymałościowymi, to jest wytrzymałością na rozciąganie Rm = 1831 MPa, minimalną twardością 485 HV, przy zachowaniu udarności KCV+20 = 26 J/cm².

P r z y k ł a d 4

Rozwiązanie według wynalazku w przykładzie wykonania czwartym realizuje się jak w przykładzie wykonania drugim z tą różnicą, iż złącze spawane blach z przykładu drugiego w celu wyeliminowania zmian mikrostruktury poddaje się obróbce cieplnej według następujących parametrów:

- normalizowanie: austenityzowanie w temperaturze 800°C przez 60 min, chłodzenie na powietrzu do temperatury otoczenia;

- hartowanie: austenityzowanie w temperaturze 830°C przez 15 min, chłodzenie w oleju hartowniczym o lepkości kinematycznej 50 mm²/s o temperaturze < 50°C, złącze spawane chłodzi się do temperatury < 50°C;

- odpuszczanie (odprężanie): w temperaturze 100°C przez 24 godziny, następnie chłodzenie do temperatury otoczenia na wolnym powietrzu.

Zrealizowane według powyższych parametrów zabiegi cieplne pozwoliły uzyskać w całej strefie złącza spawanego morfologicznie zbliżone do siebie mikrostruktury, korespondujące z mikrostrukturą materiału rodzimego, a także wyeliminowały zasadniczo z całego obszaru złącza spawanego strefy bardzo niskiej twardości. Obróbka cieplna według niniejszego przykładu pozwala na uzyskanie złącza spawanego cechującego się korzystnymi wskaźnikami wytrzymałościowymi, to jest wytrzymałością na rozciąganie Rm = 1829 MPa, minimalną twardością 475 HV, przy zachowaniu udarności KCV+20 = 28 J/cm².

Obróbka cieplna złącza spawanego realizowana według innych kombinacji parametrów z zakresów wskazanych w zastrzeżeniu patentowym każdorazowo pozwala na uzyskanie złącza spawanego cechującego się wskaźnikiem wytrzymałości, średnią twardością oraz udarnością na poziomie zbliżonym jak w powyższych przykładach wykonania.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób spawania i obróbki cieplnej wysokowytrzymałych blach z martenzytycznej stali odpornej na zużywanie ścierne z borem, w którym dla wytworzenia złącza spawanego blachę ze stali martenzytycznej o grubości 10 mm i wyrażonym w procencie wagowym składzie chemicznym: C - 0,44-0,48; Si - 0,15-0,50; Mn - 0,45-0,52; P - max. 0,015; S - max. 0,010; Cr - 0,82-0,90; Ni - 1,90-2,10; Mo - 0,13-0,15; B - max. 0,005, o równoważniku węgla CEV < 0,91, spawa się metodą SAW (121) drutem elektrodowym S3Ni2,5CrMo wraz z wysokozasadowym, aglomerowanym topnikiem MgO+CaF2+Al2O3+SiO2, stosując parametry spawania: prędkość spawania ~60 cm/min, znamionowy prąd łuku elektrycznego I = 530-630 A, napięcie łuku elektrycznego U = 31,5-33 V, energia liniowa Q < 2,0 kJ/mm, temperatura międzywarstwowa Ti < 250°C, znamienny tym, że otrzymane złącze poddaje się normalizowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 800-820°C przez 60 min, z chłodzeniem na wolnym powietrzu; kolejno hartowaniu poprzez austenityzowanie w temperaturze 830-850°C przez 15-20 min, a następnie chłodzenie w oleju o lepkości kinematycznej 20-50 mm²/s i temperaturze < 50°C; oraz odpuszczaniu w temperaturze 100°C przez 24 godziny, po którym złącze chłodzi się na powietrzu.