SI9700025A

SI9700025A - Steel for the manufacture of forgings and process for manufacturing said forgings

Info

Publication number: SI9700025A
Application number: SI9700025A
Authority: SI
Inventors: Jacques Bellus; Pierre Jolly; Claude Pichard; Vincent Jacot; Christian Tomme; Daniel Robat
Original assignee: Ascometal Sa
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 1997-10-31
Also published as: FR2744733B1; PL182920B1; BR9700917A; JP3915043B2; ES2217374T3; FR2744733A1; US5820706A; NO970548D0; CZ37897A3; HUP9700269A2; HU9700269D0; ATE262047T1; EP0787812B1; JPH09209086A; HUP9700269A3; DE69728076T2; SI9700025B; CA2196029A1; DK0787812T3; NO970548L

Description

ASCOMETAL (Societe Anonyme)

Jeklo za izdelavo izkovkov in postopek kovanja

Predloženi izum se nanaša na izdelavo jeklenih izkovkov z dobrimi karakteristikami.

Jeklene izkovke z dobrimi karakteristikami, zlasti dobrimi karakteristikami za avtomobile, se izdeluje z različnimi tehnologijami, katerih vsaka ima pomanjkljivosti.

Izkovki po prvi tehnologiji so izdelani iz krom-molibdenovega jekla, katerega kemična sestava obsega, glede na maso, od 0,25% do 0,45% ogljika, približno 1% kroma in približno 0,25% molibdena. Obdelovanci so kovani in zatem izpostavljeni toplotni obdelavi s poboljšanjem in žarjenjem, ki naj bi jim dala žarjeno martenzitno strukturo, da bi se pridobilo zlasti natezno trdnost R_m okoli 1000 MPa. Ta tehnologija ima pomanjkljivost, da je stroškovno neugodna in včasih ustvari deformacije v geometriji izkovkov.

Izkovki po drugi tehnologiji so izdelani iz jekla, vsebujočega od 0,3% do 0,4% ogljika, od 1% do 1,7% mangana, od 0,25% do 1% silicija in do 0,1% vanadija. Po kovanju se izkovke počasi ohlaja, da dobijo feritno-perlitno strukturo. Vendar pa ima ta tehnologija, čeprav je cenejša od poprejšnje, nekaj pomankljivosti:

ni mogoče doseči natezne trdnosti R_m večje od 1000 MPa, razmerje meje plastičnosti proti natezni trdnosti Rp_0j2/Rm je manjše kot 0,75, kar omejuje možnosti narediti izkovke lahke, kadar so le-ti dimenzionirani glede na mejo plastičnosti, prehodna temperatura pri lomni žilavosti je večja kot 50 °C, kar vodi k nizki udarni trdnosti, včasih je postrojenja potrebno prilagoditi z dodajanjem hladilnih tunelov, da bi se po kovanju ustvarilo primemo hlajenje.

Izkovki so lahko izdelani tudi iz jekla, vsebujočega manj ogljika kot v prejšnjih primerih, in so lahko gašeni, ko so še vedno vroči od kovanja, da bi se jim dodelilo bainitno ali bainitno-martenzitno strukturo. Ta tehnologija omogoča doseči natezno trdnost R_m večjo od 1000 MPa in mejo plastičnosti Rp₀₂ večjo od 800 MPa, vendar ima pomanjkljivost, saj zahteva gašenje, ki včasih ustvarja geometrijske deformacije, kar zahteva popravljanje ali je lahko celo razlog za izmet.

Končno so nekateri izkovki izdelani iz jekla, vsebujočega med 0,3% in 0,4% ogljika ter med 1,9% in 2,5% mangana. Ti so po kovanju zračno hlajeni, tako da dobijo bainitno strukturo z dobrimi mehanskimi lastnostmi. Vendar pa ti izkovki pogosto vključujejo izcejalne raze z martenzitno strukturo, kar otežkoča strojno obdelavo.

Naloga predloženega izuma je zagotoviti jeklo in postopek kovanja izkovkov z dobrimi karakteristikami, ki odpravljajo te pomanjkljivosti.

V ta namen je predmet izuma jeklo za izdelavo izkovkov, katerega kemična sestava obsega, glede na maso:

0,l%<C<0,4%

1%<Μη<1,8%

0,15% <Si< 1,7%

0%<Ni<l%

0%<Cr<l,2%

0%<Mo<0,3%

0%<V<0,3%

Cu<0,35%

- po izbiri od 0,005% do 0,06% aluminija,

- po izbiri bor v vsebnosti med 0,0005% in 0,01%,

- po izbiri med 0,005% in 0,03% titana,

- po izbiri med 0,005% in 0,06% niobija,

- po izbiri od 0,005% do 0,1% žvepla, do 0,006% kalcija, do 0,03% telurja, do 0,05% selena, do 0,05% bizmuta, do 0,1% svinca, preostanek pa je železo in iz plavljenja izhajajoče nečistoče.

Vsebnost ogljika je prednostno manj kot ali enaka 0,3%; prednostno je tudi vsebnost mangana manjša od 1,6%. Odvisno od nameravane uporabne je vsebnost silicija lahko prednostno bodisi večja kot 1,2% ali manjša kot 0,8%.

Izum se nanaša tudi na postopek kovanja, pri katerem:

se vzame gredico iz jekla po izumu in vroče kuje, da se dobi izkovek, se izkovek izpostavi toplotni obdelavi, ki obsega hlajenje od temperature, pri kateri je jeklo popolnoma avstenitno, do temperature T_m, ležeče med M_s + 100 °C in M_s-20 °C s hitrostjo V_r ohlajanja, večjo od 0,5 °C/s, čemur sledi držanje izkovka pri temperaturi med T_m in T_f, kjer je T_f>T_m-100 °C, prednostno je T_f>T_m-60 °C, vsaj 2 minuti, tako da se doseže strukturo, ki vsebuje vsaj 15%, prednostno pa vsaj 30%, bainita, tvorjenega med T_m in T_f.

Hitrost V_r ohlajanja je prednostno višja kot 2 °C/s.

Po držanju temperature med T_m in T_f se izkovek lahko ohladi do sobne temperature in po izbiri žari med 150 °C in 650 °C.

Po držanju temperature med T_m in T_f se izkovek lahko tudi ponovno segreje do temperature, manjše od 650 °C in zatem ohladi do sobne temperature.

Toplotno obdelavo se lahko izvaja bodisi po segrevanju izkovka do temperature, večje kot AC₃, ali neposredno po kovanju.

Izum je v nadaljevanju detajlneje toda neomejevalno opisan in ilustriran s primeri, ki sledijo.

Kemična sestava jekla po izumu obsega, glede na maso:

več kot 0,1%, prednostno več kot 0,15% ogljika, da se dobi zadostno trdoto, toda manj kot 0,4%, prednostno manj kot 0,3%, tako daje natezna trdnost R_m omejena na 1200 MPa;

več kot 1 % mangana, da se dobi zadostno kaljivost, toda manj kot 1,8%, prednostno manj kot 1,6%, v izogib tvorjenju izcejalnih pasov;

več kot 0,15% silicija, da se utrdi ferit in po izbiri pospeši tvorbo zaostalega avstenita, kar izboljša mejo utrujenostne vzdržljivosti, toda manj kot 1,7%, kajti nad tem silicij poveča krhkost jekla; med 0,15% in 0,8% silicij utrdi ferit, ne da bi pospešil tvorbo zaostalega avstenita; med 1,2% in 1,7% silicij zadosti pospeši tvorbo zaostalega avstenita, da izboljša mejo utrujenostne vzdržljivosti; glede na uporabe se lahko vsebnost silicija izbere znotraj enega ali drugega od teh območij; od 0% do 1% niklja, od 0% do 1,2% kroma in od 0% do 0,3% molibdena, da se prilagodi kaljivost;

po izbiri titan v vsebnosti, ležeči med 0,005% in 0,03%; po izbiri niobij v vsebnosti, ležeči med 0,005% in 0,06%; po izbiri bor v vsebnosti, ležeči med 0,0005% in 0,01%, da se dopolni učinek prejšnjih elementov glede kaljivosti; v tem primeru je prednostno, da jeklo vsebuje titan, da poveča učinek bora;

od 0% do 0,3% vanadija za dopolnilno utrjevanje in izboljšanje kaljivosti; manj kot 0,35% bakra, oligoelementa, ki je pogosto prisoten v jeklu, plavljenem iz odpadnega jekla, pri čemer ima pomanjkljivost, da v preveliki količini poslabša kovnost;

po izbiri od 0,005% do 0,06% aluminija, da dezoksidira jeklo in regulira zmatost avstenita, zlasti kadar je vsebnost silicija manjša kot 0,5%; po izbiri od 0,005% do 0,1% žvepla, do 0,006% kalcija, do 0,03% telurja, do 0,05% selena, do 0,05% bizmuta in do 0,1% svinca, da se izboljša obdelovalnost;

preostanek pa predstavlja železo in iz plavljenja izhajajoče nečistoče.

Da bi se izdelalo izkovek, se vzame gredico, izdelano iz jekla po izumu, in, potem ko se jo je segrelo na temperaturo, višjo od AC₃, prednostno višjo od 1150 °C, še bolje pa med 1200 °C in 1280 °C, vroče kuje, tako da dobi popolnoma avstenitno strukturo in zadosti nizko mejo tečenja. Po kovanju se izkovek izpostavi toplotni obdelavi, ki sejo lahko izvede bodisi neposredno po kovanju na še vročem izkovku ali po ohladitvi izkovka in ponovnem segretju nad temperaturo AC₃ jekla.

Toplotna obdelava vključuje hlajenje pri hitrosti V_r ohlajanja, ki se jo meri pri prehodu skozi 700 °C, in ki je višja od 0,5 °C ter prednostno višja od 2 °C/s, do temperature T_m, ki leži med M_s +100 °C in M_s-20°C, pri čemer pomeni M_s začetno temperaturo martenzitne premene jekla. Temu hlajenju sledi držanje temperature za čas, večji od 2 minuti, med temperaturo T_m in temperaturo T_f>T_m-100 °C, prednostno T_f>T_m-100 °C. Držanju temperature sledi bodisi ohladitev do sobne temperature, po izbiri dopolnjeno z žarjenjem med 150 °C in 650 °C, ali s ponovnim segrevanjem do temperature, ki je manjša ali enaka 650°C, pred ohlajanjem do sobne temperature.

Naloga te toplotne obdelave je izkovku dodeliti v bistvu bainitno strukturo, ki vsebuje manj kot 20% ferita in vsaj 15%, prednostno pa vsaj 30%, spodnjega bainita, tvorjenega med T_min T_f. Toplotno obdelavo se lahko izvede na celotnem izkovku ali zgolj na delu s posebno funkcijo.

Pogoje (T_m, T_f, trajanje) držanja temperature kot tudi razmerja vsakokratne strukture, zlasti pa razmerje spodnjega bainita, se da na način, ki je znan strokovnjaku z zadevnega področja, določiti z uporabo dilatometričnih meritev na preizkušancih.

Tako dobljeni izkovki imajo prednost, da obsegajo natezno trdnost R,_n med 950 Mpa in 1150 Mpa, mejo plastičnosti Rp_{0 2} večjo od 750 Mpa, prelomno žilavost K po Mesnagerju večjo od 25 J/cm² pri 20 °C, obdelovalnost vsaj enako tisti pri izkovkih, ki imajo feritno-perlitno strukturo, in dobro trajno obnašanje: a_D/R_m > 0,5 pri dinamičnem pregibnem preskušanju pri 2 X10⁶ pregibih.

V prvem primeru seje izdelalo os iz jekla, katerega kemična sestava v mas. % je vsebovala:

C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	V	Al	B	Ti	Nb
0,25	0,5	1,67	0,09	0,52	-	0,199	0,2	0,03	-	0,02	-

To jeklo je nadalje vsebovalo 0,065% S, da se izboljša obdelovalnost. M_s temperatura tega jekla je bila 380 °C.

Obdelovanec je bil vroče kovan med 1280 °C in 1050 °C. Neposredno po kovanju se je izkovek ohladilo s tokom zraka in s hitrostjo 2,6 °C/s do temperature 425 °C, zatem pa 10 minut držalo med 425 °C in 400 °C; nazadnje se je izkovek do sobne temperature ohladilo z naravnim zračnim hlajenjem.

Tako dobljeni izkovek je imel strukturo, kije vsebovala vsaj 80% bainita. Njegove lastnosti so bile:

1^=1100 Mpa Rp_{0 2}=870 Mpa A% = 10%

Z=60%

V drugem primeru se je izdelalo osni čep iz jekla, katerega kemična sestava v mas.% je vsebovala:

C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	V	Al	B	Ti	Nb
0,25	0,5	1,63	0,006	0,51	0,09	0,196	0,107	0,038	0,003	0,023	-

To jeklo je nadalje vsebovalo 0,05% S, da se izboljša obdelovalnost. M_s temperatura tega jekla je bila 385 °C.

Obdelovanec je bil vroče kovan med 1270 °C in 1040 °C. Neposredno po kovanju se je izkovek ohladilo s tokom zraka in s hitrostjo 2,6 °C/s do temperature 400 °C, zatem pa 10 minut držalo med 400 °C in 380 °C; izkovek se je zatem za 1 uro segrelo do temperature 550 °C nato pa do sobne temperature ohladilo z naravnim zračnim hlajenjem.

R_m=967 Mpa Rp_{0 2}=822 Mpa A% = 12%

Z=60%

V tretjem primeru se je izdelalo krogelni zgib iz jekla, katerega kemična sestava v mas. % je vsebovala:

C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	V	Al	B	Ti	Nb
0,28	0,79	1,63	0,05	0,5	0,09	0,19	-	0,04	0,0033	0,023	-

To jeklo je nadalje vsebovalo 0,06% S, da se izboljša obdelovalnost. M_s temperatura tega jekla je bila 350 °C.

Obdelovanec je bil vroče kovan med 1270 °C in 1060 °C. Neposredno po kovanju se je izkovek ohladilo na zraku in s hitrostjo 1,19 °C/s do temperature 380 °C, zatem pa 10 minut držalo med 380 °C in 360 °C; izkovek se je zatem do sobne temperature ohladilo z naravnim zračnim hlajenjem.

R_m= 1170 Mpa Rpo ₂=947 Mpa A%=%%

Z=50%

Tako dobljeni izkovki so lahko zlasti izkovki za avtomobil, kot npr. prečna vodila, pogonske gredi in batnice, lahko pa so tudi gredi, odmične gredi ali katerikoli drug izkovek za različne stroje.

Claims

Patentni zahtevki

1. Jeklo za izdelavo izkovkov, značilno po tem, da njegova kemična sestava v mas. % vsebuje:

0,l%<C<0,4%

1%<Μη<1,8%

1,2% <Si<l,7%

0%<Ni<l%

0%<Cr<l,2%

0%<Mo<0,3%

0%<V<0,3%

Cu<0,35%

- po izbiri od 0,005% do 0,06% aluminija,

- po izbiri bor v vsebnosti med 0,0005% in 0,01%,

- po izbiri med 0,005 % in 0,03 % titana,

- po izbiri med 0,005% in 0,06% niobija,

- po izbiri od 0,005% do 0,1% žvepla, do 0,006% kalcija, do 0,03% telurja, do 0,05% selena, do 0,05% bizmuta, do 0,1% svinca, preostanek pa je železo in iz plavljenja izhajajoče nečistoče.
2. Postopek kovanja, značilen po tem, da se vzame gredico, izdelano iz jekla, katerega kemična sestava v mas.% vsebuje: 0,l%<C<0,4%

1%<Μη<1,8%

0,15% <Si< 1,7%

0%<Ni<l%

0%<Cr<l,2%

0%<Mo<0,3%

0%<V<0,3%

Cu<0,35%

- po izbiri od 0,005% do 0,06% aluminija,

- po izbiri bor v vsebnosti med 0,0005% in 0,01%,

- po izbiri med 0,005% in 0,03% titana,

- po izbiri med 0,005% in 0,06% niobija,

- po izbiri od 0,005% do 0,1% žvepla, do 0,006% kalcija, do 0,03% telurja, do 0,05% selena, do 0,05% bizmuta, do 0,1% svinca, preostanek pa je železo in iz plavljenja izhajajoče nečistoče;

se gredico vroče kuje, da se dobi izkovek, se izkovek izpostavi toplotni obdelavi, ki obsega hlajenje od temperature, pri kateri je jeklo popolnoma avstenitno, do temperature T_m, ležeče med M_s+100 °C in M_s-20 °C s hitrostjo V_r ohlajanja, večjo od 0,5 °C/s, čemur sledi držanje izkovka med temperaturo T_m in temperaturo T_f, ki je večja ali enaka T_m-100 °C, vsaj 2 minuti, tako da se doseže strukturo, ki vsebuje vsaj 15% spodnjega bainita, tvorjenega med T_m in T_f in manj kot 20% perlitnega ferita, pri čemer je M_s začetna temperatura martenzitne premene jekla.
3. Postopek po zahtevku 2, značilen po tem, da jeklo vsebuje manj kot 0,3% ogljika.
4. Postopek po zahtevku 2 ali 3, značilen po tem, da jeklo vsebuje manj kot 1,6% mangana.
5. Postopek po zahtevku 2, 3 ali 4, značilen po tem, da jeklo vsebuje manj kot 0,8% silicija.
6. Postopek po zahtevku 2, 3 ali 4, značilen po tem, da jeklo vsebuje več kot 1,2% silicija.
7. Postopek po kateremkoli od zahtevkov 2 do 6, značilen po tem, da je držanje temeprature izbrano tako, da struktura vsebuje vsaj 30% spodnjega bainita, tvorjenega med T_m in T_f.
8. Postopek po kateremkoli od zahtevkov 2 do 7, značilen po tem, da je T_f večja ali enaka T_m-60 °C.
9. Postopek po kateremkoli od zahtevkov 2 do 8, značilen po tem, da je hitrost V_rohlajanja večja kot 2 °C/s.
10. Postopek po kateremkoli od zahtevkov 2 do 9, značilen po tem, da se izkovek, potem ko se gaje držalo pri temperaturi med T_m in T_f, ohladi do sobne temperature.
11. Postopek po zahtevku 10, značilen po tem, da toplotna obdelava nadalje vsebuje žarjenje med 150 °C in 650 °C.
12. Postopek po kateremkoli od zahtevkov 2 do 9, značilen po tem, da se izkovek, potem ko se ga je držalo na temperaturi med T_m in T_f ponovno segreje do temerature, manjše od 650 °C, zatem pa ohladi do sobne temperature.
13. Postopek po kateremkoli od zahtevkov 2 do 12, značilen po tem, da se toplotno obdelavo opravi po segretju izkovka do temperature, večje kot AC₃.
14. Postopek po kateremkoli od zahtevkov 2 do 12, značilen po tem, da se toplotno obdelavo opravi neposredno po kovanju.