FI122313B

FI122313B - Menetelmä kuumavalssatun terästuotteen valmistamiseksi sekä kuumavalssattu teräs

Info

Publication number: FI122313B
Application number: FI20100239A
Authority: FI
Inventors: Tommi Liimatainen; Mikko Hemmilae; Jaakko Savola; Sakari Tihinen; Ari Mikael Hirvi; Juha Kuoppala; Teemu Peltonen; Paeivi Tamminen; Jarkko Vimpari
Original assignee: Rautaruukki Oyj
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2011-11-30
Also published as: EP2576848B1; CN103097556A; FI20100239A0; WO2011154831A4; WO2011154831A1; CN103097556B; EP2576848A1

Description

MENETELMÄ KUUMAVALSSATUN TERÄSTUOTTEEN VALMISTAMISEKSI SEKÄ KUUMAVALSSATTU TERÄS

Keksinnön tausta 5

Keksinnön kohteena on menetelmä kuumavalssatun teräksen valmistamiseksi teräksestä, jonka koostumus painoprosentteina on C 0,075-0,12% 10 Si 0,1-0,4%

Mn 0,8-1,4% AI 0,015-0,08% P <0,012% S < 0,005% 15 Cr 0,5-1,3%

Mo 0,30 - 0,80

Ti 0,01 - 0,05 B 0,0005 -0,003% V 0,02-0,10% 20 Nb < 0,3%

Ni <1%

Cu < 0,5% lopun ollessa rautaa ja väistämättömiä epäpuhtauksia. Keksintö liittyy erityises-25 ti martensiittisiin suorasammutettuihin levymäisiin teräksiin, joille suoritetaan päästöhehkutus, eli nuorrutusteräksiin ja niiden valmistamiseen, δ

(M

^ Keksinnön kohteena on myös kuumavalssattu teräs, jonka koostu- ° mus on edellä mainittu.

CD

^ 30 | Patenttijulkaisusta EP1860205A1 tunnetaan murtolujuudeltaan yli o) 980MPa martensiittinen kuumavalssattu teräs, joka on hyvin mekaanisesti lei- co g kattavissa. Teräksen koostumus painoprosentteina on 0,03 - 0,10% C, 0,2 - g 2,0% Si, 0,5 - 2,5% Mn, 0,02 - 0,10% AI, 0,20 -1,5% Cr, 0,1 - 0,5% Mo ja johon ^ 35 voidaan edelleen lisätä 0,0005 - 0,005% B, 0,1 - 2,0% Ni ja 0,0005- 0,0050%

Ca. Teräs valmistetaan suorasammuttamalla lämpötilaan alle 400Ό, kuten 2 esimerkeissä lämpötilaan 250-300 °C. Teräkselle ei suoriteta päästöhehkutus-ta. Patenttijulkaisun tavoitteena on saavuttaa mekaaniset ominaisuudet ilman erkautuslujittavia seosaineita, kuten titaania Ti, niobia Nb tai vanadiinia V, sekä vähentämällä hiilen C ja lisäämällä molybdeenin Mo pitoisuutta. Opetuksen 5 mukaan molybdeenin Mo vaikutus loppuu ylärajaan 0,5% Mo, jonka jälkeen sen seostaminen lisää turhaan kustannuksia. Lisäksi julkaisu opettaa että Nikkeliä voidaan lisätä 0,1 - 2,0%.

Tämän tunnetun teräskoostumuksen ja menetelmän ongelmana on 10 että siinä esitetty teräs ei sovellu käytettäväksi rakenneteräksen käyttökohteissa, koska sen venymä ja iskusitkeys eivät ole mainittavan hyviä. Venymää ja iskusitkeyttä on vaikea parantaa kyseisessä teräksessä, koska se ei ole erityisen päästön kestävä. Ongelmana on lisäksi, että se ei sovellu hyvin terästuotteisiin, jotka joutuvat käytön aikana olemaan pitkään lämpötila-alueella 450 -15 600 °C, mikä on vaarallinen lämpötila-alue ylemmän päästöhaurauden takia.

Tälle lämpötila-alueelle teräs voi altistua eri käyttötilanteessa, kuten lämpökäsittelyissä, tai tilanteessa, jossa teräsrakenteita muokataan kuumana (kuumilla oikaisuissa) tai kellouunihehkutuksen aikana, jossa hehkutuksessa tapahtuu hidas jäähtyminen mainitulla lämpötila alueella. Altistuessaan ylemmälle pääs-20 töhauraudelle teräs tulee huoneenlämpötilassa hauraaksi ja siten varsin käyttökelvottomaksi. Päästöhaurauden saa aikaan mm. raerajoille muodostuvat atomaariset suotaumat, jotka haurastuttavat rakenteen.

Lisäksi yleisesti tunnetaan tavallisia nuorrutusteräksiä, joiden hiilipi-25 toisuus on korkea, kuten tasolla C 0,12 - 0,18% ja/tai niihin on seostettu keksinnön mukaista kuumavalssattua terästä enemmän Nikkeliä Ni, kuparia Cu tai 5 niobia Nb. Nuorrutusterästen, erityisesti suorasammutettujen nuorrutusteräs-

(M

^ ten, kaikkia tärkeitä ominaisuuksia, kuten myötölujuutta, venymää, iskusitkeyt- ° tä, särmättävyyttä ja päästön kestävyyttä on ongelmallista samanaikaisesti ^ 30 saavuttaa hyvälle tasolle samassa teräksessä.

X

en

CL

σ> co

(M

o o δ

(M

3

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on poistaa tunnettuun tekniikkaan liittyviä haittoja ja aikaansaada korkealujuuksinen kuumavalssattu teräs, joka on erit-5 täin hyvin päästön kestävä suorasammutusprosessin jälkeen, jolloin päästämällä siitä saadaan edelleen korkealujuuksinen (Rp0,2>890MPa) yhdistettynä samaan aikaan hyvään iskusitkeyteen (Charpy-V (-20°C) >37J/cm2) ja särmättä-vyyteen sekä hyvään hitsattavuuteen.

10 Keksinnön toisena tavoitteena on aikaansaada kuumavalssatun te räksen valmistusmenetelmä mahdollisimman helpoksi päästökäsittelyn suhteen, eli toisin sanoen keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen on oltava mahdollisimman robusti päästön suhteen, eli helposti päästettävissä, jolloin päästökäsittely on edullinen toteuttaa. Teräs ei ole esim. päästölämpötilan ja 15 päästöön käytetyn ajan suhteen kriittinen ja sen taipumus ylempään päästö-haurauteen on vähäinen.

Keksinnön tavoitteiden toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että mainitun koostumuksen omaava teräsaihio 20 - kuumennetaan austenitointilämpötilaan 1200 - 1350 °C, (1), ja - kuumavalssataan haluttuun paksuuteen siten, että aihion vals-sauslämpötila viimeisessä pistossa on 760 - 960 °C, (2,3), ja - suorasammutetaan suoritetun viimeisen piston jälkeen yksivaiheisella jäähdytyksellä jäähdytysnopeudella 30 - 150 °C /s lämpötilaan enintään 25 300 °C, joka suorasammutus suoritetaan viimeistään 15 s kuluttua viimeisestä kuumavalssauspistosta, (4,5), ja 5 - päästöhehkutetaan 200 - 700 °C lämpötilassa korkeintaan 24

CM

ά tuntia (6) o

CD

^ 30 Keksinnön mukaisen menetelmän edulliset suoritusmuodot on esi- | tetty patenttivaatimuksissa 2-6.

05

CO

g Keksinnön mukaisen menetelmän seurauksena kuumavalssatun ? teräksen mikrorakenne on edullisesti päästömartensiittinen, eli teräkseen on ^ 35 suorasammutuksen seurauksena syntynyt olennaisesti martensiittinen mikro rakenne, jonka jälkeen teräkselle on suoritettu päästöhehkutus, jolloin lopputu- 4 loksena on kuumavalssattu terästuote, jonka iskusitkeys ja lujuus ovat tavoitteen mukaisella tasolla.

Keksinnön mukaisen menetelmän suurin etu on, että terästuotteen 5 iskusitkeyttä ja venymää olennaisesti parantava päästöhehkutus on helppo toteuttaa keksinnön mukaiselle kuumavalssatulle teräkselle. Teräksen lujuus-ja iskusitkeysominaisuudet eivät ole herkkiä päästölämpötilan ja -ajan vaihteluille eikä levyn jäähtymisnopeudelle päästön jälkeen. Suorasammuttamalla teräkseen saadaan lisäksi hyvä särmättävyys, mikä on tyypillisesti vaikeampaa 10 saavuttaa suorasammutetulle nuorrutusteräkselle verrattuna perinteisesti uuni-karkaistuun teräkseen.

Keksinnön tavoitteiden toteuttamiseksi keksinnön mukaisen kuuma-valssatun teräksen koostumukselle on erityisesti tunnusomaista, että hiilen C 15 ja mangaanin Mn pitoisuus on alhainen, ollen esitetyllä alueella, ja lisäksi teräkseen seostetaan aina booria B, vanadinia V ja titaania Ti esitetyt pitoisuudet, jotta keksinnön tavoitteet saadaan toteutettua. Niobia Nb ei ole välttämätöntä seostaa ja jos sitä seostetaan, sen pitoisuus on rajattu. Lisäksi nikkelin Ni ja kuparin Cu pitoisuus voi olla hyvin matala, ollen jopa epäpuhtaustasolla. 20 Seosaineiden merkitykset ja vaikutukset selitetään tarkemmin selitysosan yksityiskohtaisessa osiossa.

Kuumavalssatun teräksen tunnusmerkit on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 7. Kuumavalssatun teräksen edulliset suoritusmuodot on 25 esitetty patenttivaatimuksissa 8-24.

o Keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen suurimmat edut

CM

^ ovat, että korkean lujuuden lisäksi sen iskusitkeys ja särmättävyys keksinnön ° mukaisella menetelmällä ovat samanaikaisesti aikaansaatavissa hyvälle tasol-

CD

^ 30 le. Lisäksi keksinnön mukainen kuumavalssattu teräs on erittäin hyvin pääs- | tönkestävä, koska sen koostumus mahdollistaa sen, että korkealujuuksinen o, martensiittinen teräs voidaan päästää esimerkiksi kellouunissa ja lisäksi samal- 00 g la rajoittaa tehokkaasti ylemmän päästöhaurauden haitallisia vaikutuksia. Te-

2 räksen iskusitkeysominaisuudet ovatkin erinomaiset myös hitsisauman HAZ

^ 35 (heat affected zone) - alueelta mitattuna, mikä on erittäin tärkeää hyvän raken neteräksen käytön kannalta. Teräs soveltuukin hyvin käytettäväksi erityisesti 5 nostureiden hitsatuissa puomirakenteissa. Lisäksi teräs omaa erinomaisen käyttökelpoisuuden hyvän hitsattavuuden ja särmättävyyden ansiosta.

Keksinnössä on yllättävästi todettu, että mainitulla koostumuksella 5 saavutetaan terästä, joka voidaan suorasammutuksen jälkeen päästöhehkut-taa jopa nuorrutusteräksille tyypillisellä ylemmän päästöhaurauden lämpötila-alueella (450-600 °C) ja silti saavuttaa keksinnön tavoitteet rakenneteräksessä.

10 Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin esimerkkien avulla, viittaamalla myös oheisiin kuvioihin, jossa 15 kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän päävaiheet aika- lämpötilakäyränä, jossa numeroilla menetelmän prosessivaiheet: 1=uunikuumennus, 2=esivalssaus, 3=nauhavalssaus, 4=suorasammutus, 5=kelaus, 6=päästöhehkutus 20 kuvio 2 esittää hitsauskokeen järjestelyn, jossa on esitetty sularajan mittauspiste FL (fusion line) kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen mikrorakenteen päästömartensiittisessa tilassa δ

CM

05

O

CD

CM

X

CL

05

CO

CM

O

δ

CM

6

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen koostumus paino-5 prosentteina on: C 0,075-0,12%

Si 0,1-0,4%

Mn 0,8-1,4% 10 AI 0,015-0,08% P <0,012% S < 0,005%

Cr 0,5 - 1,3%

Mo 0,30 - 0,80 15 Ti 0,01 - 0,05 B 0,0005 -0,003% V 0,02-0,10%

Nb < 0,3%

Ni <1% 20 Cu < 0,5% lopun ollessa rautaa ja väistämättömiä epäpuhtauksia.

Seuraavassa kuvataan tarkemmin keksinnön mukaisen kuumavals-25 satun teräksen koostumusta ja esimerkin luonteisesti kunkin koostumuksen aikaansaamia ominaisuuksia tärkeimmillä valmistusparametreillä. Lisäksi esite-5 tään edullisia suoritusmuotoja ja niiden etuja. Pitoisuudet ovat painoprosentte-

(M

d> ia- o

CD

^ 30

X

en

CL

O)

CO

(M

o o δ

(M

Taulukko 1. Koeterästen kemialliset koostumukset steel | C | Si | Mn | Cr | N | S | P | Cu | Mo | Ti | V | AI | Nb

~Ä 0.041 0.04 H

B 0.078 0.23 1.76 1.49 0.007 0.004 0.011 0.02 0.24 0.01 0.072 0.037 0.001

_C__0.149 0.2 1.56 0.98 0.005 0.003 0.009 0.02 0.24 0.023 0.068 0.026 OM

D 0.081 0.21 1.5 0.97 0.006 0.001 0.01 0.02 0.47 0.016 0.015 0.026 0.051 E 0.151 0.17 1.48 1.02 0.006 0.003 0.009 0.02 0.23 0.014 0.07 0.025 0.00' _F__0.085 0.51 1.51 1.02 0.007 0.001 0.008 0.02 0.48 0.029 0.082 0.033 0.00' G 0.081 0.2 1.45 0.99 0.006 0.001 0.01 0.03 0.5 0.027 0.076 0.034 0.001 H 0.081 0.51 1.47 0.98 0.006 0.001 0.009 0.02 0.47 0.015 0.011 0.028 0.05· J__0.076 0.22 1.04 0.7 0.006 0.001 0.009 0.02 0.65 0.028 0.082 0.036 0.00' J__0.087 0.22 0.99 0.72 0.007 0.001 0.011 0.04 0.64 0.032 0.082 0.038 0.001 _K__|103__02__099__1__0.006 0.001 0.01 0.03 0.65 0.028 0.079 0.034 0.001 L 0.099 0.23 1.01 0.99 0.006 0 0.012 0.02 0.65 0.031 0.084 0.032 0.001

5 M | 0.084 0.18 | 1.04 | 1.33 10.00610.00410.009 0.03 10.1410.02710.04610.028 |H

N

, 5 0) 9 Ί = keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen koostumus

(O

n * R=koostumus keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen koostumuksen ulkopuolelta

CC

Q.

0)

Taulukko 2. Kokeiden valmistusparametrit ja mekaaniset ominaisuudet, levyn paksuus t noin 6 mm.______

Rolling Heat

Temperature Treatment Rp0.2 Rm CV(J/cm2,

Steel__*__** (MPa) (MPa) A5(%) -40°C) A__2__2 1101 1176 10,7 81 B__2__1 1059 1120 11,7 55 C__2__2 1073 1126 13,1 40 D__2__3 1083 1112 12,4 76 E__1__2 1039 1088 13,0 47 F__2__3 986 1019 13,4 81 G__2__3 1021 1053 13,4 83 H__1__4 1014 1035 11,6 108 I__2__3 1024 1060 13,3 142 K__1__3 1091 1138 11,1 114 L__1__4 1071 1130 11,5 104 M*** 2 3 | 890 | 913 | 14.2 120 5 * = Teräksen lämpötila viimeisen valssauspiston aikana: 1 = Alle 900 °C, 2 = yli

900 °C

** = Lämpökäsittelylämpötila: 1 < 500 °C < 2 < 550 °C < 3 < 600 °C, 4 > 600 °C

*** = hehkutettu tavallisessa uunissa, pitoaika 1 tunti 10 Mekaaniset ominaisuudet on määritetty standardin ISO 10025-6 vaatimien testausohjeiden mukaisesti.

Kaikki taulukoiden teräkset on valmistettu keksinnön mukaisella menetelmällä, eli suorasammuttamalla alhaiseen lämpötilaan, jolloin kelaus-lämpötila on ollut alle 300 °C ja sitä seuraavalla päästökäsittelyllä, joka on esi-15 merkiksi tehty Bell-type tyyppisessä uunissa. Iskusitkeyskokeet on tehty Chared py-V kokeena käyttäen 6mm paksua testimateriaalia.

i

CD

cp ^ Taulukko 3. Teräksen särmäystuloksia C\l

Et W (mm)

Steel Direction * R/t **__*** ^ ^ Longitudinal 2,5 75/100 ^ __Transversal 2,0 75/100 ^ E Longitudinal 2,5__100 ^ __Transversal 2,4 75/100 P Longitudinal 2,7__100 __Transversal 2,5__75 H Longitudinal 3,4 75/100 9 __Transversal 5,1 75/100 I Longitudinal 2,0 75/100 __Transversal 1,4 75/100 ^ Longitudinal 2,2__75 __Transversal 3,1__75 L Longitudinal 2,7 75/100 __Transversal 3,3 75/100 * särmäyssuunta; longitudinal=särmä pitkittäin valssaussuuntaan nähden, transversal=särmä poikittain valssaussuuntaan nähden ** R = taivutussäde, t=levyn paksuus 5 *** W = aukon leveys (mm), johon särmäys on tehty Särmäys on toteutettu tunnetulla menetelmällä V-taivutuksena ylä-ala työkalun välissä. Särmäystapana on käytetty vapaataivutusta.

Teräksen hiiliekvivalentti C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 10 on korkeahko, mutta matalalla hiilipitoisuudella voidaan hyvä hitsattavuus saavuttaa siitä huolimatta, kuten seuraavassa havaitaan.

Keksinnössä on havaittu, että tavanomaisille ja suhteellisen korkea-hiilisille nuorrutusteräksille yhdistettynä tavanomaiseen, eli korkeahkoon, Mn-pitoisuuteen, iskusitkeysarvot jäivät mataliksi, jolloin havaittiin tärkeäksi rajoit-15 taa hiilen C ja mangaanin Mn maksimipitoisuutta.

Hiilen ja mangaanin maksimipitoisuuden rajoitus on erityisen tärkeää silloin, kun päästöhehkutus tapahtuu alle 600 °C lämpötilassa tai teräs jäähtyy päästön jälkeen hitaasti ko. lämpötila-alueen läpi.

Keksinnön tavoitteiden mukaisesti, sekä perusaineelle että hitsauk-20 sen HAZ-alueelle aikaansaadaan korkea iskusitkeys, erityisesti siten että, pe-rusaineen Charpy-V iskusitkeys on pitkittäin valssaussuuntaan nähden mitat-o tuna vähintään 37J/cm2 -20°C lämpötilassa mitattuna. Edullisesti perusaineen cf, iskusitkeys on poikittain valssaussuuntaan nähden mitattuna vähintään o ^ 33J/cm2 -20°C lämpötilassa mitattuna. Edullisimmin mainitut iskusitkeysvaa- ^ 25 timukset saavutetaan myös -40°C lämpötilassa mitattuna.

X

£ Teräksen iskusitkeys määritettiin Charpy-V kokeena kolmella hitsa- 05 uksen HAZ (heat affected zone) - alueella, muodostamalla lovi seuraaviin koh- o tiin: o 5 1. Sularajalla, jossa iskusitkeys mitattiin kohdasta FL, jossa levyn ^ 30 paksuuden puoliväliin asetettu levyn suuntainen jana leikkaa hit sattaessa muodostuneen sularajan, kuvio 2.

10 2. Karkearakeisen vyöhykkeen (CGHAZ, coarse grained HAZ) alueelta, jossa iskusitkeys mitattiin kohdasta, joka sijaitsee 1 mm etäisyydellä sularajan FL mittauskohdasta perusaineeseen päin (FL+1) 5 3. Osittain austenisoituneen vyöhykkeen (ICHAZ, intercritical HAZ) alueelta, jossa iskusitkeys mitattiin kohdasta, joka sijaitsee 3 mm etäisyydellä sularajan FL mittauskohdasta perusaineeseen päin (FL+3) 10 Teräksen alhaisemmasta hiilipitoisuudesta johtuen erityisesti osittain austenisoituneen vyöhykkeen (ICHAZ), jossa lämpötila on suurimmillaan 700-850 °C, iskusitkeys säilyy terästä hitsattaessa parempana kuin tyypillisillä perinteisellä tavalla valmistetuilla korkeampihiilisellä nuorrutusteräksellä. Tällä vyöhykkeellä (ICHAZ) austenisoituminen tapahtuu vain siellä, missä austeniitin ydintyminen 15 on ollut helppoa, eli lähinnä siellä missä hiilipitoisuus on ollut korkea. Korkea-hiilinen austenisoitunut osa muuttuu jäähtyessään martensiitiksi ja bainiitiksi. Jäähtyessä korkeahiilinen paikallinen austeniittialue voi muodostua kovaksi MA-saarekkeeksi heikentäen vyöhykkeen iskusitkeyttä, jolloin kehitetyn teräksen alhaisemmasta hiilipitoisuudesta on hyötyä, koska kovien ja hauraampien 20 mikrorakenteiden muodostuminen on vähäisempää ICHAZ:n alueella.

Keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen koostumus aikaansaa erittäin hyvän iskusitkeyden erityisesti osittain austenisoituneen vyöhykkeen alueella (ICHAZ), joka mitataan kohdasta FL+3. Keksinnön mukainen kuumavalssattu teräs on siis hyvin hitsattavissa myös ilman kallista nikke-25 liseostusta kun teräs aikaansaadaan vanadiini-seostettuna, jolloin iskusitkeys HAZ-vyöhykkeessä on vähintään tyypillisen nuorrutusterästen tasolla tai pa- 0 rempi.

C\1 01 o 1 Taulukko 4. Hitsien tyypillisiä Charpy V -iskusitkeyksien arvoja, t=6mm.

™ 30

X

£ Arc energy E1=0,6kJ/mm

σ> FL+1 >50J

£3 -20 °C

§ FL+3 >46J

o FL+1 >25J

^ -40 °C

FL+3 >37J Arc energy E2=0,8kJ/mm 11

FL+1 >45J

-20 °C

FL+3 >50J

FL+1 >20J

-40 °C

FL+3 >40J

Taulukossa 4 on esitetty tyypillisiä iskusitkeyksien arvoja eri läm-möntuonneilla koostumukselle K, joka on esitetty taulukossa 1. Hitsausmenetelmänä on käytetty MAG-hitsausta jalkoasennossa ilman esikuumennusta ja 5 railonmuotona 50° V-railoa. Kokeet suoritettiin kahdella eri lämmöntuonnilla Q1=0,48 kJ/mm (kaarienergia E1=0,6 kJ/mm)ja Q2=0,64 kJ/mm (kaarienergia E2=0,8 kJ/mm), jolloin liitosten laskennallinen jäähtymisaika lämpötilavälillä 800.. .500 °C (T8/5) oli 7 s ja 13 s.

Hiilipitoisuus C 0,075-0,12% on tyypillisiin nuorrutusteräksiin ver-10 rattuna matala, jolloin iskusitkeys säilyy hyvällä tasolla. Jos teräksen hiilipitoisuus on alle 0,075%, niin teräksestä on vaikeaa saavuttaa tarpeeksi lujaa ja iskusitkeää, koska tällöin martensiittia ei muodostu suorasammutuksen seurauksena tarpeeksi. Jos teräksen hiilipitoisuus on yli 0,12%, niin iskusitkeys heikkenee liikaa ja keksinnön tavoitteita ei saavuteta.

15 Edullisesti teräksen hiilipitoisuus C 0,09-0,11%, jolloin myös hitsa uksessa HAZ-vyöhyke saadaan riittävän tasalujaksi perusaineen kanssa samanaikaisesti perusaineen iskusitkeyden ollessa riittävä.

Yleisesti tiedetään, että yleensä matala hiiliekvivalentin arvo ja hiili-pitoisuus on hitsattavuudelle edullisempi kuin korkea. Kuitenkin keksinnössä 20 on yllättävästi havaittu, että hitsisauman yli poikittain vedetyt vetokokeet olivat heikommat koostumuksella I kuin koostumuksella K, jonka koostumuksen K ^ hiiliekvivalentti (CEV) ja hiilipitoisuus on suurempi kuin koostumuksen I. Tästä ° esimerkkinä oheinen vertailutaulukko 5. Teräs K aikaansaa myös HAZ- § vyöhykkeellä erinomaisen iskusitkeyden, koska sen hiilipitoisuus on keksinnön to 25 edullisella hiilialueella 0,09-0,11%.

X

cc

Taulukko 5. Esimerkki kahden esimerkkiteräksen mekaanisista ominaisuuksista 05 CO _ o Arc Energy E1= Arc Energy E2= 5__0,6kJ/mm__0,8kJ/mm_

I Steel I K I I K

Rp0,2 (MPa)__952__1034__921__1022

Rm (MPa)__1035__1116__1024__1111 ~HV10 (FL+1 mm) 332 355 335 353 12 IHV10 (FL+3mm) I 346 | 352 | 359 I 321 |

Esimerkkinä korkean hiilipitoisuuden vahingollisuudesta perusaineelle on teräs C, jonka koostumus on esitetty taulukossa 1 sekä valssaus- ja 5 päästöhehkutusparametrit sekä mekaaniset ominaisuudet taulukossa 2. Kuvaajasta 1 huomataan, että perusaineen poikittainen iskusitkeys on huono, kun hiilipitoisuus on suurempi kuin keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen hiilipitoisuus.

Charpy V energy J/cm2 vs Temperature -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 .........1 ....... .................................

70- ..................................... .......... ....... .....................................φ .. ..- 70 Direction : . φ · Longitudinal 60- · - 60 * TranSVerSa' 50- # n - 50 1 · O 40- W ^ .: i - 40 S · [::·.

30- - 30 20- ® - 20 10- ΓΤΪ 9 - 10

Sfs · s''! •.-.«y.·.·. ...... ......... ..... .. ......... ......... ....... ...... .................. .......

0"l-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-H’ 0 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30

Temperature (Celsius) 10 _ -,- Kuvaaja 1. Esimerkki korkean hiilipitoisuuden vaikutuksesta perusaineen iskusitkeydelle (teräs ° c) g Piipitoisuus on Si 0,1-0,4%. Edullisesti piipitoisuus on Si 0,1-0,3%.

^ Keksinnössä on yllättävästi havaittu, että liian korkea Si pitoisuus , kuten pitoi-

CM

15 suus Si 0,5%, vaikuttaa vahingollisesti teräksen iskuitkeyteen. Tämä nähdään ^ selkeästi teräksellä F kuvaajasta 2.

g Mainitun vuoksi Si pitoisuus on korkeintaan 0,4%. Piipitoisuuksia ai-

C\J

o le 0,1% ei suositella, koska teräksen rikinpoisto ja sulkeumien muoto kontrolli o on helpompaa, kun teräs sisältää jonkin verran piitä.

13

Lisäksi Si nostaa teräksen lujuutta ilman hiiliekvivalentin nousua, mistä on etua varsinkin jos hiilipitoisuus on lähellä keksinnön mukaisen kuu-mavalssatun teräksen hiilialueen ylärajaa C 0,11 - 0,12%.

5

Charpy V energy J/cm2 vs Temperature -80 -60 -40 -20 0 20 14η-I.....!.. —1-1-.. ‘..........!.....—..!................!................!............S......u 14η - iHU ^ Direction .......I lllllsl · longitudinal \20-..... ....... ........................................................Φ...... ....... .............................- 120 £1 transversal ............................φ--------- U) · 100-......i..............................·...................................... ...............................rv - 100 ............................i......·.....·.......i..........·........?.........0.........:......S"·· E .....................f..........;..................................0.............P..........................

^ 60-...................................................................... ............................................- 60 .....;.......

40-..................................................................................................................-40

• P

20~.....f ;.........I.......!.......1.....φ..........;........... ........!.....

—i-i-1-1- I I iΐ ''''' 1 '" i" " " " Γ " 0 -80 -60 -40 -20 0 20

Temperature (Celsius)

Kuvaaja 2. Esimerkki korkean Si-pitoisuuden vaikutuksesta perusaineen iskusitkeydelle (teräs F) 10 Mangaanipitoisuus on Mn 0,8-1,4%. Edullisesti mangaanipitoisuus on Mn 1,0 -1,2%. Hyvän karkenevuuden varmistamiseksi on Mn oltava vähin-^ tään 0,8%, edullisesti vähintään 1%. Toisaalta epäedullinen Mn suotautuminen ^ on vähäisempää, kun Mn pitoisuus rajoitetaan korkeintaan 1,4%, edullisesti § korkeintaan 1,2%.

15 Esimerkkinä on esitetty kuvaajassa 3 korkean mangaanipitoisuuden x vahingollisuudesta perusaineelle teräs G, jonka koostumus on esitetty taulu- kossa 1 sekä valssaus ja päästöhehkutusparametrit sekä mekaaniset ominai-co suudet taulukoissa 2.

C\1

O

δ cv 14

Charpy V energy J/cm2 vs Temperature -80 -60 -40 -20 0 20 j ; ; ; : : : Ä Direction .........φ...... · Longitudinal 140- φ - 140 U3 Transversal 120- w .....w - 120 .................................. Φ....................P..................©.....

100-.....!...................... _ rv: i.......I.......:.........Φ -100 Q ..... 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 D ;.......; - ""7--1........

5 80- φ f?| - 80 ......'*----------·;-· ·': ------S------------:----------- ·:·'----------------------'❖...... ··' 60”...... ................ - 60 .........·............... ........................................ .........

40- ·:·......................................................ö.................................. .........1--40 .....5....... -- - [hi............... ........

20τ· · I i f ; I i :20 i i-r........i........i........i——T--i............i..................i—0 -80 -60 -40 -20 0 20

Temperature (Celsius)

Kuvaaja 3. Esimerkki korkean Μη pitoisuuden vaikutuksesta perusaineen iskusitkeydel-le (teräs G)

Kromipitoisuus on Cr 0,5 - 1,3%, jotta teräksestä saavutetaan kor- 2 kealujuuksista ja karkenevuus on hyvä.

3

Edullisesti kromipitoisuus on 0,8-1,2%. Kromia on mielellään vähin 4 tään 0,8%, jotta matalalla hiilipitoisuudella saadaan riittävän tasalujuuksinen 5 hitsisauma, toisaalta kromia on mielellään korkeintaan 1,2% hiiliekvivalentin 6 liiallisen nousemisen vuoksi, mistä on erityisesti haittaa, kun hiilipitoisuus on keksinnön hiilialueen ylärajan läheisyydessä C 0,11-0,12%.

7

Booripitoisuus on 0,0005 -0,003%, koska booriseostus on edulli- 8 nen tapa varmistaa teräksen hyvä karkenevuus. Yli 0,003% pitoisuuksina boo- 9 10 o rin karkenevuutta lisäävä vaikutus heikkenee ja lisäksi liika boori B heikentää 11 teräksen hitsattavuutta. Edullisesti booria seostetaan 0,0008-0,002% sekä hit-x sin iskusitkeyden säilyttämiseksi hyvänä että riittävän karkenevuuden varmis tamiseksi.

O) oo Nikkelipitoisuus on rajoitettava pitoisuuteen Ni < 1%, koska nikkeli o Ni voi joissakin olosuhteissa jopa laskea jonkin verran päästetyn teräksen is- ^ 20 kusitkeyttä tai sen vaikutus on vähäinen. Lisäksi Ni on kallis seosaine. Edulli sesti nikkelipitoisuutta on rajoitettava pitoisuuteen Ni < 0,05%, jolloin teräksen seostuskustannukset voidaan pitää mahdollisimman alhaisena. Nikkeliseostei- 15 sen teräksen B koostumus on päästökäsittelyn jälkeen iskusitkeydeltään vaatimaton, erityisesti poikittaiset iskusitkeystulokset ovat vaatimattomia, mikä havaitaan kuvaajasta 4. Päästökäsittely on tehty Bell-type uunissa korkeintaan 24 tuntia ja lämpötilassa alle 500 °C.

5

Charpy V energy J/cm2 vs Temperature -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30

!_I_»«;«;;.....1 1 - 1 , I_I

.....90-........... ·· .......................................................... ....... ....... ·· £............: - 90 Direction "-™-· -! -· · Longitudinal ................................I.....*:..............;--1-1--1........................- - 70- ..........;£ .........φ·\...... ....... -70 60- · n - 60 ΟίΙΙϋΙ.......I..... ................. ....... ..................... ....... ...... ...... ..... ..... ............K::S0i!!i .......................... - -- ·:- -- - -:·· - -·:-· - -- - -- - - - -·: - - - - - - - - --ssssisssii: . HI-·: ..................... 4...jpg.....:.... i-. |:40|||||| .......j- ·#· |.........................................i ·· -φ- ··;·· .................i- llllllll sääiiis - - f "i" " f " ;" f --1-- H f 1......:-----:....... 1—: -- --k3timmm 1111111......;.......I:......ϊ.......j φ i.......\.....j·· -1- - j......\......].......;......;.......i......j.......;......llllllll iiilii·.....f..................................:.....:·· h -...................................................iiiiiiiii g ..... ..... .....=--1--10 -j-i-1-i j i-i-1-j-i-i-1-1-1-1-1-1-1-4 ® -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30

Temperature (Celsius)

Kuvaaja 4. Esimerkki korkean nikkelipitoisuuden hyödyttömyydestä perusaineen is-kusitkeydelle (teräs B) 10 Molybdeenipitoisuus on Mo 0,30 - 0,80%, koska alle 0,30% molyb- deenipitoisuudella keksinnön mukaiseen teräkseen ei saavuteta riittävää lu-juutta ilman, että teräkseen jouduttaisiin seostamaan suuria pitoisuuksia muita ^ seosaineita kuten hiiltä C, piitä Si, nikkeliä Ni tai mangaania Mn, joiden vahin- 0 gollisesta vaikutusta on selitetty aiemmin ja sekä myös myöhemmin seli-15 tysosassa esitetyn indeksien TBI ja UTBI yhteydessä.

1 Molybdeeni erkautuu päästöhehkutuksessa, mikä vähentää päästö-käsittelyn aiheuttaman lujuuden laskua ja auttaa näin korkean lujuuden saavut- co tamisessa. Lisäksi Mo käytetään mm. estämään teräksen ylempää päästöhau- § rautta hidastamalla mm. fosforin P suotautumista raerajoille päästöhehkutuk- ^ 20 sen aikana kriittisellä lämpötilavälillä 450-600 °C. Molybdeeni lisää tehokkaas ti myös teräksen karkenevuutta.

16 Päästön kestävyyden varmistamiseksi edullisesti molybdeenia seostetaan 0,50-0,70%. Molybdeenipitoisuuden 0,8% ylittävät pitoisuudet nostavat hiiliekvivalentin arvoa ja lisäävät liiaksi seosainekustannuksia, koska molybdeeni Mo on kallis seosaine. Toisaalta alle 0,30% Mo pitoisuudella, kuten te-5 räksessä M, jonka koostumus on esitetty on taulukossa 1 ja testitulokset taulukossa 2, osoittavat lujuuden jäävän matalaksi 500-600 °C päästöhehkutukses-sa jo suhteellisen lyhyellä 1 tunnin päästöhehkutusajalla. Tämän vuoksi, eli riittävän lujuuden aikaansaamiseksi, molybdeenia on seostettava vähintään 0,30% ja edullisesti vähintään 0,50%.

10 Vaikka monissa tavanomaisesti valmistettavissa hyvin särmättävis sä nuorrutusteräksissä käytetään niobiseostusta, osoittautui keksinnössä yllättävästi, että suorasammutetun teräksen särmättävyyttä ei saada hyvällä tasolle karkaistussa eikä nuorrutetussa tilassa, jos teräs sisältää suuria määriä niobia Nb. Tästä esimerkkinä on teräs H taulukossa 3. Keksinnössä on siis yllättäväs-15 ti havaittu, että niobi Nb voi heikentää ratkaisevasti teräksen särmättävyyttä keksinnön mukaisessa kuumavalssatussa teräksessä, varsinkin suurina pitoisuuksina.

Niobia Nb ei siis ole välttämätöntä seostaa, mutta jos sitä seostetaan, sen pitoisuus on rajattu pitoisuuteen Nb<0,3%, jolloin sillä voidaan jois-20 sain tapauksissa vaikuttaa lujuuteen. Edullisesti niobipitoisuus on rajoitettava Nb^0,03%, koska H teräksen Nb pitoisuudella 0.05% havaittiin selkeä särmät-tävyyden heikkeneminen. Edullisimmin niobipitoisuus on rajoitettu Nb<0,005%, jolloin varmistetaan teräkselle parhaat mahdolliset särmättävyysominaisuudet.

Vanadinipitoisuuden on oltava V 0,02 - 0,1%. Vanadiinia V on lujuu-25 den varmistamiseksi seostettava vähintään 0,02%. Vanadinipitoisuuden kasvaessa voi hitsattavuus heikentyä ja siksi vanadiinipitoisuuden maksimi-arvo o on korkeintaan 0,1%.

CM

£ Edullisen suoritusmuodon mukaan vanadinipitoisuuden on oltava V

° 0,04 - 0,1% silloin kun niobia Nb ei seosteta, eli silloin kun Nb < 0,005%. Va co ^ 30 nadinia seostetaan siis erityisesti ilman niobiseostusta, jotta särmättävyys olisi g mahdollisimman hyvä. Keksinnössä on yllättävästi havaittu, että vanaan diniseostus ei ole vahingollista särmättävyydelle keksinnön koostumuksella,

CO

g kuten taulukosta 2 ja 3 havaitaan, vaikka niobilla Nb todettiin olevan särmättä- 2 vyyttä heikentävä vaikutus, kun teräksiä vertaillaan samalla lujuus-ja hiilitasoil- ^ 35 la.

17

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan valitaan V ja Nb pitoisuudet seuraavasti: V 0,04 - 0,10% ja Nb 0,008-0,03%. Jolloin aikaansaadaan hyvä iskusitkeyden ja lujuuden yhdistelmä särmättävyyden säilyessä vielä kohtuullisena.

5 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan valitaan V ja Nb pitoi suudet seuraavasti: V 0,02-0,03% ja Nb 0,008-0,03%. Jolloin aikaansaadaan ennen kaikkea mahdollisimman laadukas HAZ-vyöhykkeen lujuuden ja iskusitkeyden yhdystelmä, erityisesti rajoittamalla V-pitoisuutta voimakkaasti, mutta kuitenkin seostamalla edelleen kohtuullisesti niobia. Nb-seostus on eduksi eri-10 tyisesti riittävän lujuuden ja iskusitkeyden saavuttamiseksi perusaineella.

Kuparipitoisuus on rajoitettu Cu< 0,5%. Kuparia ei ole välttämätöntä seostaa, mutta sillä voidaan tarvittaessa vähäisessä määrin nostaa lujuutta tai parantaa teräksen sään kestävyyttä. Mikäli kuparia Cu seostetaan yli 0,3% on nikkeliä seostettava vähintään 0,33 * Cu pitoisuus, jotta teräksen pinnanlaatu 15 säilyy hyvänä kuumavalssauksessa.

Edullisesti kuparipitoisuus on Cu<0,05%, jolloin sen pitoisuus on epäpuhtaustasolla ja riittävä lujuus voidaan saavuttaa kustannuksiltaan ja ominaisuuksiltaan edullisemmin ilman kupariseostusta.

Alumiinipitoisuus AI 0,015-0,08% Alumiinia käytetään teräksen tii-20 vistämiseen, eli sitomaan happea teräksestä. Edullisesti alumiinipitoisuus on 0,02 - 0,06%.

Titaanipitoisuus on 0,01 - 0,05%, koska titaania tarvitaan typen N sitomiseen teräksessä, jotta B toimii tehokkaasti karkenevuuden parantaja eikä muodosta boorinitridejä. Titaania on käytetty, koska se toimii varmemmin suo-25 rasammutetulla teräksellä kuin alumiini AI. Edullisesti titaania on 0,02-0,03%, koska matalammilla pitoisuuksilla ei kaikkea typpeä saada sidottua, mikäli typ-o pipitoisuus jää jostakin syystä korkeaksi. Toisaalta korkeammat pitoisuudet li-

CM

^ säävät iskusitkeyden kannalta haitallisten, suhteellisen suurikokoisten TiN

° määrää. Ti/N -suhde on edullisesti 3-4.

CD

^ 30 Fosforipitoisuus on rajoitettava P<0,012%, koska fosfori heikentää | iskusitkeyttä. Edullisesti fosforipitoisuus rajoitetaan P<0,008%.

o. Rikkipitoisuus rajoitetaan epäpuhtautena tasolle S<0,005% hyvän

CO

g iskusitkeyden ja muovattavuuden varmistamiseksi.

? Seuraavaksi kuvaajassa 5 on esitetty esimerkkinä (teräs K) keksin- ^ 35 nön mukaisen kuumavalssatun teräksen koostumuksen aikaansaama erin- 18 omainen vaikutus teräksen iskusitkeyteen, joka on erinomainen sekä poikittain että pitkittäin.

Charpy V energy J/cm2 vs Temperature -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 50 180-1 ' ' : : ? ' Ί i ' ' ' ^ ' ' |- 180 Direction

::::::::5:5:5:5:5:5:¾ ....... ..... i ........ ....... ||: · Longitudinal sS

160' φ - 16° Ui Transversal 140- ; φ lvi -140 l!!ll!l........................................ I g .........................;.....g.........................- i|o <N 100- P i ; -100

« A

?? 80- · |V| ί;-;- -80 60- ^ · -60 40- @ - 40 20- I g -20 —1—1—1—1—1—1—1—1—1—1—i—'—i—1—1-1-1—^ ® -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 50

Temperature (Celsius) 5 Kuvaaja 5. Esimerkki keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen koos- tuksen vaikutuksesta teräksen iskusitkeyteen, joka on erinomainen sekä poikittain että pitkittäin (teräs K)

Kuumavalssatulla teräksellä tarkoitetaan levymäiseksi kuumavals-10 sattua terästä, kuten kuumavalssattua kvarttolevyä tai kuumavalssattua nauha-terästä. Edullisimman suoritusmuodon mukaan kuumavalssattu teräs on kuu-^ mavalssattu nauhateräs, koska se on tuotantotehokkuudeltaan, kustannuksil- c3 taan, pinnanlaadultaan ja mittatoleransseiltaan helpommin saavutettavissa o erinomaiseksi. Nauhateräksen paksuus voi olla 2-1 Omm, edullisesti kuitenkin i 15 alueella 4-8mm.

x Kuumavalssatulla teräksellä tarkoitetaan erityisesti suorasammutet- tua terästä, jonka mikrorakenne on olennaisesti martensiittinen. Edullisimmin co kuumavalssattulle teräkselle suoritetaan suorasammutuksen jälkeen päästö- § käsittely, jolloin kyseessä on suorasammutettu nuorrutusteräs, jonka mikrora- ^ 20 kenne on oleellisesti päästömartensiittinen.

Teräksen mikrorakenne on ennen päästökäsittelyä edullisesti koostuttava mahdollisimman täydellisesti (yli 90%) martensiitista ja itsepäässeestä 19 martensiitista. Joka tapauksessa suurin osa mikrorakenteesta on oltava tällaista, jolloin rakenteessa voi jossain määrin esiintyä bainiittia. Ferriitin ja perliitin osuus on ennen päästöä oltava yhteensä alle 10%.

Kuumavalssatun teräksen austeniitti on litistynyttä ennen suo-5 rasammutusta. Rakeen litistyneisyyssuhde on mikrohieestä määritetty keskimääräinen rakeiden pituus (W) / leveys (H) - suhdeluku. Rae mitataan hieestä, jonka hiepinta on valssaussuuntaan ja levyn paksuussuuntaan sekä tarkaste-lukohta on noin % syvyydellä levyn paksuudesta.

Rakeen litistyneisyyssuhteen on edullisesti oltava suurempi kuin 10 2,0, joka muodostuu kun teräs suorasammutetaan suoraan austeniittialueella tapahtuneesta kuumavalssauksesta ja teräs ei ehdi täysin rekristallisoitua. Perinteisissä uunikarkaistuissa teräksissä suhdeluku on alle 2,0. Edullisimmin keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen raerakenteen keskimääräinen litistyneisyyssuhde on suurempi kuin 4.

15 Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukaisella menetelmällä valmiste tun terästuotteen mikrorakenne kuva, jossa on esitetty rakeen pituus (W) ja leveys (H). Kuvio esittää siis keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen edullisen suoritusmuodon suorasammutetussa ja päästetyssä tilassa, eli pääs-tömartensiittisena, jossa mikrorakenteen litistyneisyys on edelleen tunnistetta-20 vissa. Esimerkissä raerakenteen litistyneisyyssuhde W1/H1 on noin 16 ja W2/H2 on noin 28. Raerakenteen litistyneisyyteen vaikuttaa merkittävästi käytetty valssauslämpötila, joka keksinnön mukaisessa menetelmässä on viimeisessä valssauspistossa alueella 760 - 960 °C.

Keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen myötölujuus on 890-25 1200 Mpa, edullisimmin 960-1100 Mpa. Tämä aikaansaadaan välittömällä suorasammutuksella kuumavalssauksen valssauksen jälkeen, jonka jälkeen o tehdään päästökäsittely. Päästökäsittely voidaan tehdä joko välittömästi tai

CM

£ myöhemmin. Murtovenymä (A5) on vähintään 8%, edullisimmin yli 10%.

^ Myötösuhde on rakenneteräksissä tyypillisesti korkeahko ja keksin- ^ 30 nön mukaisen kuumavalssatun teräksen myötösuhde (myötölu- £ juus/murtolujuus) on yli 0,85.

CD

OO

CM

o o δ

CM

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että mainitun koostu muksen omaava teräsaihio 20 - kuumennetaan austenitointilämpötilaan 1200 - 1350 °C, (1), ja 5 - kuumavalssataan haluttuun paksuuteen siten, että aihion vals- sauslämpötila viimeisessä pistossa on 760 - 960 °C, (2,3), ja - suorasammutetaan suoritetun viimeisen piston jälkeen yksivaiheisella jäähdytyksellä jäähdytysnopeudella 30 - 150 °C /s lämpötilaan enintään 300 °C, joka suorasammutus suoritetaan viimeistään 15 s kuluttua viimeisestä 10 kuumavalssauspistosta, (4,5), ja - päästöhehkutetaan 200 - 700 °C lämpötilassa korkeintaan 24 tuntia (6)

Keksinnön mukaisen menetelmän edulliset suoritusmuodot on esi-15 tetty oheistetuissa patenttivaatimuksissa 2 - 6.

Kuviossa 1 esitetään keksinnön mukaisen menetelmän vaiheet kuu-mavalssatun terästuotteen valmistamiseksi. Lähtöaineena on teräsaihio, jonka koostumus painoprosentteina on 20 C 0,075-0,12%

Si 0,1-0,4%

Mn 0,8-1,4% AI 0,015-0,08% 25 P <0,012% S < 0,005% 5 Cr 0,5 -1,3% 2 Mo 0,30 - 0,80 9 Ti 0,01 - 0,05 ™ 30 B 0,0005 -0,003% | V 0,02-0,10% σ> Nb < 0,3% g Ni < 1 % ? Cu < 0,5%

O

™ 35 lopun ollessa rautaa ja väistämättömiä epäpuhtauksia.

21

Menetelmän ensimmäisessä vaiheessa 1 teräsaihio kuumennetaan austenitointilämpötilaan 1200 - 1350 °C. Teräsaihion paksuus on esimerkiksi 210 mm ja se kuumennetaan austenitointilämpötilaan 1280 °C, jossa se pide-5 tään niin kauan, että se on riittävän tasalämpötinen ja seosaineet riittävästi liuenneet matriisiin, käytännössä joitakin tunteja. Luonnollisesti teräsaihion paksuus voi poiketa esitetystä ja austenitointilämpötilia voidaan valita toisin, mutta suositeltavasti se on alueella 1200 -1350 °C. Mikäli austenitointilämpöti-la on mainittua alarajaa alhaisempi, niin vaarana on, etteivät mikroseosaineet 10 liukene austeniittiin eli austeniitista ei saada homogeenista sekä lujuus voi er-kautushehkutuksessa jäädä matalaksi. Korkeampi lämpötila taas johtaa erittäin suureen austeniitin raekokoon ja lisääntyvään aihion pinnan oksidoitumiseen. Hehkutusaika voi sopivimmin vaihdella alueella 2 - 4 tuntia, mutta valitun uuni-teknologian ja aihion paksuuden mukaan se voi olla myös merkittävästi pidem-15 pi tai lyhyempi.

Kuumennuksen jälkeen toisessa vaiheessa suoritetaan kuumavals-saus 2, joka käsittää esivalssausvaiheen 2 ja sitä seuraavan nauhavalssaus-vaiheen 3. Kuumavalssauksen lämpötila viimeisessä pistossa on 760-960 °C Edullisesti kuumavalssauksen loppulämpötila viimeisessä pistossa on 800-20 900°C. Kuumavalssauksen loppulämpötila on vähintään 800°C, jotta valssaus- voimat pysyvät kohtuullisena ja korkeintaan 900°C, jolloin muun muassa varmistetaan erinomainen pinnanlaatu.

Kuumavalssauksen jälkeen teräs suorasammutetaan, eli jäähdyte-ään nopeutetusti. Edullisesti suorasammutuksen 4 nopeus on enintään 120 °C 25 /s, koska tällöin teräkselle saadaan sellainen mikrorakenne, joka antaa teräk selle erityisen hyvät mekaaniset ominaisuudet, mukaan luettuna hyvä iskusit- 5 keys, yhdistettyinä hyvään särmättävyyteen. Sammutus voidaan toteuttaa esi-

(M

merkiksi vedellä.

O) ° Edullisesti suorasammutuksen 4 loppulämpötila on enintään 130 °C,

CO

^ 30 koska tällöin sammutuksen jälkeen saadaan tasomainen nauha, jossa myös | reunat ovat tasaiset ja tasomaiset.

05 Edullisesti teräsnauha suorasammutus 4 suoritetaan suoraan ke- 00 g lauslämpötilaan ja kelataan 5.

^ Kuumavalssattu terästuote on edullisesti nauhateräs, joka suo- ^ 35 rasammutuksen (4) jälkeen kelataan ja sen jälkeen päästöhehkutetaan (6).

22

Edullisesti teräkselle suoritetaan päästöhehkutuskäsittely 6 lämpötila-alueella 450 - 599 °C, jolloin keksinnön mukaisen matalahiilisen teräksen koostumuksesta voidaan muodostaa kokonaisseosainemääriltään ja -kustannuksiltaan edullinen.

5 Vaihtoehtoisesti teräksen päästökäsittely 6 voidaan suorittaa lämpö tila-alueella 200-449 °C tai 600-650 °C.

Keksinnön mukaisen menetelmän päästöhehkutuskäsittely 6 voidaan siis toteuttaa suorasammutuksen jälkeen kelasta leikatulle nauhalevylle tai jatkuvatoimisesti kelalta purettavalle nauhalle. Toisaalta päästöhehkutuskä-10 sittely voidaan vaihtoehtoisesti toteuttaa suorasammutuksen jälkeen myös kokonaiselle kelalle esimerkiksi kellouunissa, jossa lämpötila nousee ja laskee hitaasti. Kelan päästämiselle tunnusomainen lämpötilavaihtelu keskiosan ja pinnan välillä ei ole ongelma, koska keksinnön mukainen kuumavalssattu teräs on erittäin robusti päästön suhteen. Robustisuus tarkoittaa tässä yhteydessä 15 sitä, että teräkselle aikaansaadaan homogeeniset mekaaniset ominaisuudet kelan joka osassa riippumatta siitä, miten teräs päästetään. Robustisuuden ansiosta menetelmää voidaan hyvin toteuttaa myös eripaksuuksisille levyvals-satuille levyille ja kelasta leikatuille nauhalevyille ilman että käytetyn päästöuu-niteknologian tarvitsee olla hyvin tarkkaan päästölämpötilan ja ajan suhteen 20 säädettävissä. Tämä taas mahdollistaa edullisen ja yksinkertaisen uunitekno-logian käytön ja vähentää materiaalin hylkäysriskiä.

Keksinnön menetelmän erään suoritusmuodon mukaan kuumavalssattu teräs, jolle on suoritettu suorasammutus 4, leikataan levyiksi jonka jälkeen levyt oikaistaan ja vasta lopuksi suoritetaan päästökäsittely. Näin aikaan-25 saadaan päästöhehkutuskäsittely 6 oikaistuille levyille, joihin oikaisussa on voinut muodostua haitallisia jännityksiä. Lopputuloksena on erittäin tasainen ja o tasalaatuinen teräslevy paksuudeltaan 2-12mm, jolla venymä ja iskusitkeys

CM

£ ovat jonkin verran parempia kuin muilla suoritusmuodoilla.

^ Mikäli teräs ei ole taipuvainen ylempään päästöhaurauteen, voidaan ^ 30 matalalla hehkutuslämpötilalla saavuttaa helpommin korkea lujuus kuin korke- | ämmällä, säästää seostuskustannuksissa tai käyttää jopa yksinkertaista ja cd edullista, mutta tuotantokapasiteetiltaan tehokasta kellouunihehkutusta, jossa

CO

g jäähtyminen ja kuumentaminen tapahtuvat hitaasti.

ς Mahdollista teräksen haurastumista (tai sitkistymistä) päästössä, ™ 35 tutkittiin hehkuttamalla koeteräksiä erilaisissa uuneissa (kellouuni ja tavan omainen), eri päästöaikoja (0,5-24 h), sekä eri lämpötiloissa (200-650) °C.

23

Kokeiden perusteella määritettiin teräksen iskusitkeyttä (tai päästö-haurautta) kuvaavat indeksit TBI (temper brittleness index) ja UTBI (upper temper brittleness index) suorasammutetuille, tuotantomittakaavassa (full scale test) tehdyille nauhateräksille.

5 TBI kuvaa mitattua iskuenergia-arvoa Charpy V kokeessa, kun te rästä hehkutetaan ylemmän päästöhaurauden kannalta ei kriittisellä alueella, eli lämpötilavälin 450-599 °C ala- tai yläpuolella (lämpötilassa T<450°C tai T>599 °C). UTBI kuvaa mitattua iskuenergia-arvoa Charpy V kokeessa, kun terästä hehkutetaan ylemmän päästöhaurauden kannalta kriittisellä alueella 10 T=450-599 °C.

TBI määritetään teräksen murtolujuuden, iskukoesauvan suunnasta valssaussuuntaan nähden, iskukokeen mittauslämpötilan ja seosainekoostu-muksen perusteella seuraavan yhtälön mukaisesti: 15 TBI (temper brittleness index) = 190 - 0,121 Rm (MPa) - 0,516 di rection (°) + 0,944 Test temperature (°C) - 87.3 Si - 39.1 Μη + 3335 Nb + 2054 V-16.0 Ni- 21618 Nb*V, jossa 20 * Rm on näytteen murtolujuus (MPa) * Direction on iskusitkeyden mittaussuuntaa valssaussuuntaan nähden: direction = 0, jos mittaussuunta pitkittäin (impact test specimen longitudinal to rolling direction) 25 direction = 90, jos mittaussuunta poikittain (impact test specimen transversal to rolling direction) ° * Test temperature on Charpy V kokeen testauslämpötila (°C) σ> o 30 UTBI määritetään teräksen murtolujuuden, iskukoesauvan suunnas- x ta valssaussuuntaan nähden, iskukokeen mittauslämpötilan ja seosainekoos- tumuksen perusteella seuraavan yhtälön mukaisesti: CT)

CO

o UTBI (upper temper brittleness index) = 458 - 0,427 direction (°) - 5 35 0,254 Rm (MPa) + 1,06 Test temperature (°C) - 37.9 Si - 77.1 Mn +

w 1749 Nb + 691 V - 27261 Nb*V

24 jossa * Rm on näytteen murtolujuus (MPa) * Direction on iskusitkeyden mittaussuuntaa valssaussuuntaan nähden: 5 direction = 0, jos mittaussuunta pitkittäin (impact test specimen longitudinal to rolling direction) direction = 90, jos mittaussuunta poikittain (impact test specimen transversal to rolling direction) 10 * Test temperature on Charpy V testauslämpötila (°C)

Mitä korkeampi UTBI, sitä paremmin teräs vastustaa ylempää pääs-töhaurautta säilyttäen iskusitkeytensä hyvänä, vaikka terästä hehkutettaisiin tai se jäähtyisi hitaasti lämpötilavälillä 450-599 °C.

15 Sekä TBI:n että UTBI:n arvo on riippuvainen lämpötilasta siten, että testauslämpötilan noustessa myös indeksiarvo kohoaa.

TBI:n mukaan, joka kuvastaa saavutettavaa iskusitkeyttä päästökä-sittelyn (lämpötilassa T<450°C tai T>599 °C) jälkeen nuorrutusteräkselle epäedullisia seosaineita ovat Si, Mn ja Ni, mutta yllättävästi Nb ja V vaikuttivat 20 päinvastoin. Näin ollen keksinnön tavoitteiden saavuttamiseksi keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen koostumusta on rajattu näiden seosaineiden osalta aikaisemmin esitetyin rajauksin.

Keksinnön mukaisesti edullisesti iskusitkeyttä kuvaava indeksi TBI on pitkittäiselle iskusauvalle vähintään 120, määritettynä -40 °C lämpötilassa.

25 Keksinnön mukaisesti edullisesti iskusitkeyttä kuvaava indeksi UTBI

on pitkittäiselle iskusauvalle vähintään 100, määritettynä -40 °C lämpötilassa.

5 UTBI:n käyttäytyminen poikkeaa TBI:stä lähinnä siten, että tekijöi-

(M

^ den kertoimet ovat erilaisia, mutta seosaineet vaikuttavat samaan suuntaan, ^ joten keksinnön mukaisesti on mahdollista optimoida teräs siten, että molem- ^ 30 pien indeksien UTBI ja TBI arvot ovat korkeat, jolloin keksinnön mukaisesti | voidaan valmistaa teräs sellaisella koostumuksella, että se säilyttää iskusitkey- 05 tensä laajalla päästölämpötila-alueella kuten myös ylemmällä päästöhauraus-

CO

g alueella. Esimerkki tästä on taulukossa 6.

? TBI:n ja koetulosten iskusitkeyden välinen korrelaatio on nähtävissä ^ 35 alla olevassa kuvaajassa 6.

25 TBI versus Measured energy J/cm2 = 0.268 + 1.000 index3 250-":................................................. .......................... .............. .......... ^ S 29.4534 : ^ R-Sq 68.3% I I # f## R-Sq(adj) 68.2% N |°° ^ ^ gjpi - ^ 50- 2 ^ O'* I —1 ^Ί ^ : i i i 0 50 100 150 200

TBI

Kuvaaja 6. TBI:n ja iskusitkeyden välinen korrelaatio

Seuraavissa kuvaajissa 7 ja 8 on esitetty TBI arvo eri koeteräksillä 5 iskusitkeyden mittauslämpötilan funktiona, iskusitkeys mitattuna sekä pitkittäin (kuvaaja 7) että poikittain (kuvaaja 8) valssaussuuntaan nähden. Kaksi ylintä esimerkkiä (l,L) ovat keksinnön mukaisia teräksiä.

Kuvaajista 7 ja 8 havaitaan selvästi, miten keksinnön mukaisen teräksen koostumus (l,L) aikaan huomattavasti paremmat iskusitkeysominaisuu-10 det kuin vertailuteräkset (B,C,F,H).

δ

(M

O) o

CD

(M

X

en

CL

O)

CO

(M

O

δ

(M

26 _ TIJI vs Test temperature (°C), direction 0° 200- i ; I : J: ! : Π Heat

J. J.·:!®· ....... B

^ is°- ^ i =-1 75' >**! ; i ||||:1;: SO-ι j - : .... j 1, J „ . .[....j,.. j j.... j ... j .....

ΛΠ ίΓΛ ^ 1 I I I I I I

'bU '50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30

Test temperature (°C)

Kuvaaja 7. TBI arvo eri koeteräksillä iskusitkeyden mittauslämpötilan funktiona, mitattuna pitkittäin valssaussuuntaan nähden 5 _ ΤΒΪ vs Test temperature (°C), direction 90°

βρί!111|1Ι1'1 .........: .......... . .. M

..... ....... .. ..... __ ................ ............ g e........................1...1.......mi imi......lj............mimi......s......r ^^ c i

: ssss F

120- i 88888888 H

: : · ....... :*SS SS I S*

— L

10°- - m : ..........

^ e .............

“-1......"z g 40-

CO

** 20-

x h .....s............LJ..............i.....=....... ........... MMM

11! 0-1—^ j i I I ·. ! j | j j | ; \ \ ||! Ο -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 g Test temperature (°C) o--—---- o Kuvaaja 8. TBI arvo eri koeteräksillä iskusitkeyden mittauslämpötilan funk tiona, mitattuna poikittain valssaussuuntaan nähden 27

Taulukon 6 tavallinen uunityyppi (conventional) kuvastaa tapaa, jossa teräs päästetään tavalliseen tapaan levy kerralla uunissa, jolloin levy jäähtyy hitaasti. Uunityyppi (Bell-type) tarkoittaa uunia, jossa teräs hehkutetaan kelana, jossa lämpötila laskee hitaasti, erityisesti teräskelan ydin jäähtyy hitaasti.

5 Esimerkkinä keksinnön mukaisen kuumavalssatun teräksen robusti- suudesta päästön suhteen ovat esimerkkiteräkset K ja L, jotka ovat koostumukseltaan erittäin lähellä toisiaan, keksinnön mukaisen teräksen koostumus-alueella, ja aikaansaavat erittäin hyvät mekaaniset arvot riippumatta siitä, suo-ritetaanko päästö tavallisella tai kellouunityyppisellä päästöuunilla. Lisäksi 10 koostumus aikaansaa tasaiset mekaaniset ominaisuudet ja hyvän iskusitkey-den riippumatta siitä, miten korkeassa lämpötilassa päästökäsittely suoritetaan, mistä taulukossa 6 on esimerkkiteräs L verrattuna esimerkkiteräkseen K.

Lisäksi taulukosta 6 havaitaan, että keksinnön ulkopuolelle kuuluvat teräkset B ja C haurastuvat merkittävästi kellouunilla tehtävässä päästökäsitte-15 lyssä.

Taulukosta 6 havaitaan siis, että keksinnön mukainen kuumavals-sattu teräs voidaan päästää onnistuneesti hyvin vaihtelevilla tavoilla. Päästö-lämpötila ja uunityyppi voidaan valita yllättävän vapaasti ja silti lopputulos on yllättävän hyvä. Teräs on siis erityisen helppo valmistaa eli robusti valmistuk-20 sen kannalta, mikä helpottaa monella tavalla valmistusta.

Taulukko 6. Kellouunilla ja tavallisella uunityypillä tehdyn päästökäsittelyn vaikutus [cv

Rp0,2 Rm (-40°C, TBI UTBI

Heat Direction Furnace t(h) TfC) (MPa) (MPa) A5(%) J/cm2) (-40 °C) (-40°C) B Longitud. Bell-type 24* 450 1031 1094 14,2 55__:__55 — C Longitud. Bell-type 24* 550 1021 1098 14,4 40__:__67 o K Longitud. Conventional 24 570 1084 1089 15,5 106__-__117 ™ J<_Longitud. Bell-type 24* 570 1081 1135 13,6 114 - 117 o L Longitud. Conventional 0,5 650 1081 1081 13,3 159 131__- cd * = Pitoaika vakio lämpötilassa (ei sisällä lämmitystä ja jäähdytystä) x 25 tr “ Edellä keksintöä on havainnollistettu esimerkkien avulla. Keksintö co on yksityiskohdiltaan toteutettavissa monella tavalla oheistettujen patenttivaa- § timuksien puitteessa, δ

(M

Claims

28

1. Menetelmä kuumavalssatun terästuotteen valmistamiseksi, tunnettu siitä että teräksen koostumus painoprosentteina on: C 0,075-0,12% Si 0,1-0,4% Mn 0,8-1,4%

2 Ti 0,01 - 0,05% ° B 0,0005 -0,003% ™ V 0,02-0,10% l Nb < 0,3% o> 30 Ni <1% § Cu < 0,5% o δ ^ lopun ollessa rautaa ja väistämättömiä epäpuhtauksia. 30

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä kuumavalssatun terästuot- ^ 30 teen valmistamiseksi, tunnettu siitä että teräs päästöhehkutetaan lämpötilas- w sa 450-599 °C (6). 29

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä kuumavalssatun terästuotteen valmistamiseksi, tunnettu siitä että teräs päästöhehkutetaan lämpötilassa 200-449 °C tai 600-650 °C (6).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä kuumavalssatun terästuot teen valmistamiseksi, tunnettu siitä että teräs suorasammutetaan (4) nopeudella enintään 120 °C /s,

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä kuumavalssatun terästuot-10 teen valmistamiseksi, tunnettu siitä teräs suorasammutetaan (4) loppulämpö- tilaan enintään 130 °C

5 AI 0,015-0,08% P <0,012% S < 0,005% Cr 0,5 - 1,3% Mo 0,30 - 0,80%

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä kuumavalssatun terästuot-ten valmistamiseksi, tunnettu siitä että kuumavalssattu terästuote on nauha- 15 teräs joka suorasammutuksen (4) jälkeen kelataan (5) ja sen jälkeen päästö-hehkutetaan (6).

7. Kuumavalssattu teräs, jonka koostumus painoprosentteina on C 0,075-0,12% Si 0,1-0,4%

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että kuumavalssattu teräs on suorasammutettu nuorrutusteräs.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä 5 että teräksen mikrorakenteen rakeen keskimääräinen litistyneisyyssuhde on suurempi kuin 2, eli W/H>2.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että teräksen mikrorakenteen rakeen keskimääräinen litistyneisyyssuhde on 10 suurempi kuin 4, eli W/H>4.

10 Ti 0,01 - 0,05% B 0,0005 -0,003% V 0,02-0,10% Nb < 0,3% Ni <1%

11. Patenttivaatimuksen 8 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että kuumavalssatun teräksen mikrorakenne on päästö-martensiittinen, jonka teräksen myötölujuus on vähintään 890MPa ja Charpy-V iskusitkeys -40 °C 15 lämpötilassa vähintään 37J/cm2.

12. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että kuumavalssattu teräs on nauhateräs.

13. Patenttivaatimuksen 11 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että teräksen iskusitkeyttä kuvaava indeksi TBI on määritettynä -40 °C lämpötilassa pitkittäiselle iskusauvalle vähintään 120.

14. Patenttivaatimuksen 11 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä 25 että teräksen iskusitkeyttä kuvaava indeksi UTBI on määritettynä -40 °C lämpötilassa pitkittäiselle iskusauvalle vähintään 100. δ (M

15. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä CD ? että teräksen V-pitoisuus on V 0,04 - 0,10% ja Nb-pitoisuus on Nb < 0,005%. CD ™ 30

15 Cu < 0,5% lopun ollessa rautaa ja väistämättömiä epäpuhtauksia, jossa menetelmässä mainitun koostumuksen omaava teräsaihio - kuumennetaan austenitointilämpötilaan 1200 - 1350 °C, (1), ja 20 - kuumavalssataan haluttuun paksuuteen siten, että aihion vals- sauslämpötila viimeisessä pistossa on 760 - 960 °C, (2,3), ja - suorasammutetaan suoritetun viimeisen piston jälkeen yksivaihei-5 sella jäähdytyksellä jäähdytysnopeudella 30 - 150 °C /s lämpötilaan enintään (M ^ 300 °C, joka suorasammutus suoritetaan viimeistään 15 s kuluttua viimeisestä ° 25 kuumavalssauspistosta, (4), ja ^ - päästöhehkutetaan 200 - 700 °C lämpötilassa korkeintaan 24 | tuntia (6). σ> CO

16. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä <j) että teräksen V-pitoisuus on V 0,04 - 0,10% ja Nb-pitoisuus on Nb 0,008- § 0,03%. o δ C\l

17. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että teräksen V-pitoisuus on V 0,02 - 0,03% ja Nb-pitoisuus on Nb 0,008- 0,03%. 31

18. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että teräksen Mo-pitoisuus on 0,50-0,70%.

19. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että teräksen Ni-pitoisuus on Ni<0,05%. 10

20. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että teräksen Cu-pitoisuus on Cu < 0,05%.

20 Mn 0,8-1,4% AI 0,015-0,08% P <0,012% S < 0,005% Cr 0,5 - 1,3% 5 25 Mo 0,30 - 0,80%

21. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä 15 että teräksen C-pitoisuus on 0,09-0,11 %.

22. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että teräksen Si-pitoisuus on 0,1-0,3 %.

23. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että teräksen Μη-pitoisuus on 1,0-1,2%.

24. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuumavalssattu teräs, tunnettu siitä että teräksen Cr-pitoisuus on 0,8-1,2%. δ (M i σ> o i CD (M X en CL O) CO (M O O δ (M 32