FI84370B - STAOL. - Google Patents

Description

1 843701 84370

TERÄSSTEEL

Keksintö kuuluu metallurgian alaan ja kohdistuu niukkaseosteiseen teräkseen, sen valmistukseen ja käyttöön. Teräs soveltuu käytettäväksi erityisesti valaen valmistettavissa, 5 paksuseinäisissä rakenne-elementeissä, jotka liitetään muuhun rakenteeseen hitsaten. Tyypillisiä tällaisia rakenne-elementtejä ovat of fshore-laitteistojen putkiliitokset, laiva- ja satamanosturien kääntökehät, rautatievaunujen telit ja nostovaihteitten raskaat hammaspyörät ja -akselit.The invention belongs to the field of metallurgy and relates to low-alloy steel, its production and use. The steel is particularly suitable for use in cast-in-place, 5-walled structural elements which are joined to another structure by welding. Typical such structural elements are the pipe joints of fshore equipment, the turning rings of ship and harbor cranes, the bogies of railway wagons and the heavy gears and shafts of hoists.

10 Käytettäessä hitsaten koottavissa suurissa rakenteissa valettuja rakenne-elementtejä korvaamaan putkista ja levyistä hitsaten rakennettuja elementtejä saavutetaan valujen vapaan muotoilumahdollisuuden vuoksi mm. seuraavia etuja:10 When using structural elements cast in large structures to be assembled by welding to replace elements built by welding from pipes and plates, due to the possibility of free design of castings, e.g. the following benefits:

Liitossaumat voidaan siirtää jännityskonsentraatiokoh-15 dista lievemmin kuormitetuille alueille.The joints can be moved from stress concentration points to less heavily loaded areas.

Liitoskohdat voidaan siirtää alueille, joissa hitsaus-työ on helposti ja varmasti suoritettavissa ja hitsaustyö helposti automatisoitavissa.The joints can be moved to areas where welding work can be easily and reliably performed and welding work can be easily automated.

Valukappaleen suunnittelussa voidaan ainetta lisätä 20 rasitettuihin kohtiin ja vähentää lievemmin kuormitetuista kohdista. Täten rakenne-elementti saadaan kevyemmäksi ja toiminnaltaan luotettavammaksi.In the design of the casting, the substance can be added to 20 stressed points and subtracted from lightly loaded points. Thus, the structural element is made lighter and more reliable in operation.

Valukappaleissa ei ole lamellirepeilyvaaraa.There is no risk of lamellar cracking in the castings.

Kappale voidaan muotoilla jouheaksi ja jännityskeskit-25 tyrniä eliminoivaksi.The body can be shaped to be flexible and to eliminate tension-25 sea buckthorn.

Voidaan toteuttaa ainepaksuuksia, joiden aikaansaanti levy/putki-yhdistelminä on vaikeaa.Material thicknesses can be realized which are difficult to obtain as plate / pipe combinations.

Edellä esitetyistä lukuisista eduista huolimatta valettuja rakenne-elementtejä on käytetty suhteellisen vähän. Pää-30 asiallisena syynä on ollut se, että ei ole ollut käytettävissä valuteräksiä, jotka lujuus/sitkeys/hitsattavuus-yh-distelmän puolesta vastaisivat näihin sovellutuksiin käytettyjä muokattuja tuotteita - levyjä, putkia ja takeita.Despite the numerous advantages presented above, relatively few cast structural elements have been used. The main reason for this has been that no casting steels have been available which, in terms of strength / toughness / weldability combination, correspond to the modified products used for these applications - sheets, tubes and forgings.

Tämän keksinnön yleisenä tarkoituksena on aikaansaada te-35 räslaji, jonka sitkeys- ja murtumissitkeysominaisuudet kaikilla lämpötila-alueilla, mutta erityisesti matalissa lämpötiloissa vastaavat saman lujuusluokan muokattuja tuotteita.It is a general object of the present invention to provide a grade of steel having toughness and fracture toughness properties in all temperature ranges, but especially at low temperatures, corresponding to modified products of the same strength class.

Keksinnön tarkoituksen saavuttamiseksi tarvittavat keinot 2 84370 on esitetty patenttivaatimuksissa.The means 2 84370 required to achieve the object of the invention are set out in the claims.

Keksinnön mukaisen teräksen minimimyötölujuus on vähintään 540 MPa, ja sitä voidaan säätää aina 750 MPa:iin asti seostusastetta nostamalla. Teräksen sitkeys- ja murtumisomi-5 naisuudet vastaavat saman lujuusluokan muokattuja tuotteita aina n. 200 mm paksuisiin kappaleisiin asti. Muokattuja tuotteita voidaan valmistaa vastaavin ominaisuuksin vain n. 50 mm seinämäpaksuuteen asti.The steel according to the invention has a minimum yield strength of at least 540 MPa and can be adjusted up to 750 MPa by increasing the degree of alloying. The toughness and fracture properties of steel correspond to modified products of the same strength class up to pieces with a thickness of approx. 200 mm. Modified products can only be manufactured with similar properties up to a wall thickness of approx. 50 mm.

Terästä voidaan hitsata esi lämmittämättä, eikä hitsauksen 10 jälkeinen lämpökäsittely ole välttämätön. Toisaalta teräs on hitsattavissa myös esilämmittäen ja hitsauksen jälkeen se voidaan myöstöhehkuttaa tai vedenpoistohehkuttaa lujuus- ja sitkeysominaisuuksia heikentämättä.The steel can be welded without preheating, and heat treatment after welding 10 is not necessary. On the other hand, the steel can also be welded by preheating and after welding it can also be annealed or dewatered without compromising the strength and toughness properties.

Lopputuotteessa teräkselle on ominaista mikrorakenne, 15 jonka muodostaa tasainen sälemartensiittis-alabainiittinen rakenne, jonka raerajat ovat käytännöllisesti katsoen vapaat erkaumista ja epämetallisista sulkeumista. Rakenteessa ei esiinny kaasukasaumia eikä kaasurakkuloita. Tällainen tasainen mikrorakenne toteutuu läpi koko valukappaleen poikkipin-20 nan aina 200 mm seinämäpaksuuksiin asti.In the final product, the steel is characterized by a microstructure formed by a flat slat martensitic-alabainite structure, the grain boundaries of which are practically free of precipitation and non-metallic inclusions. There are no gas deposits or gas bubbles in the structure. Such a uniform microstructure is realized through the entire cross-section of the casting-20 nan up to wall thicknesses of 200 mm.

Optimoituun mikrorakenteeseen, joka antaa tavoitellun lu-juus/sitkeys/hitsattavuus-yhdistelmän, päästään kemiallisen koostumuksen ja siihen soveltuvan lämpökäsittelyn valinnalla .An optimized microstructure that provides the desired strength / toughness / weldability combination is achieved by the choice of chemical composition and appropriate heat treatment.

25 Kemiallisessa koostumuksessa on oleellista, että hiilipi toisuus on pieni - enintään 0,12 %. Yleensä tunnettujen, tämän lujuusluokan paksuihin valukappaleisiin tarkoitettujen terästen hiilipitoisuus on merkittävästi korkeampi. Pienen hiilipitoisuuden ansiosta ominaistilavuusmuutokset karkai-30 sussa jäävät pieniksi ja täten myös muodonmuutos jännitykset, jotka ovat kylmärepeämän yhtenä edellytyksenä, mitättömiksi. Toisaalta hiilipitoisuudella on edullisesti alaraja 0,06 %. Tämä hiilimäärä estää raerajoille tapahtuvaa epäpuhtauksien atomaarista suotautumista, joka voi pienistä pitoisuuksista 35 huolimatta edistää päästöhaurautta.25 In the chemical composition, it is essential that the carbon content is low - not more than 0.12%. In general, the known carbon steels for thick castings of this strength class have a significantly higher carbon content. Due to the low carbon content, the specific volume changes in the carcass remain small and thus the deformation stresses, which are one of the prerequisites for cold rupture, are negligible. On the other hand, the carbon content preferably has a lower limit of 0.06%. This amount of carbon prevents atomic infiltration of contaminants at the grain boundaries, which, despite low concentrations, 35 can contribute to embrittlement.

Teräksen vetypitoisuus on syytä pyrkiä minimoimaan. Se on parhaiten 5 ppm, sopivimmin enintään 2 ppm. Näin ei hitsauksen yhteydessä esiinny kylmähalkeilua. Lisäksi tällä vetypi- 3 84370 toisuuden rajoituksella estetään vetyrepeämäilmiötä paksujen valukappaleiden sisustassa.The hydrogen content of the steel should be minimized. It is preferably 5 ppm, preferably not more than 2 ppm. This prevents cold cracking during welding. In addition, this limitation of the hydrogen content of 3,84370 prevents the phenomenon of hydrogen tearing in the interior of thick castings.

Rikki- ja fosforipitoisuudet ovat hyvin alhaisia: Smax = 0,01 %, Pjnax = 0,012 %. Myös typpipitoisuus on edullisimmin 5 hyvin alhainen, enintään 100 ppm. Näiden epäpuhtauksien rajoituksilla saadaan aikaan se, että käytännöllisesti katsoen millään lämpötila-alueella ei tapahdu sitkeyttä tai hitsattavuutta vaarantavia erkaumia tai suotautumia ja teräs säilyttää sitkeytensä erilaisten metallurgisten historioitten-10 sa jälkeenkin.Sulfur and phosphorus contents are very low: Smax = 0.01%, Pjnax = 0.012%. The nitrogen content is also most preferably very low, up to 100 ppm. The limitations of these impurities mean that virtually no temperature or precipitation is compromised in any temperature range and that the steel retains its toughness even after various metallurgical histories.

Samanlaisen mikrorakenteen ja sen seurauksena lujuus/sit-keys/hitsattavuus -yhdistelmän takaaminen läpi aina 200 mm paksuisten poikkipintojen edellyttää teräkseltä suhteellisen runsasta seostusta. Piin ja mangaanin pitoisuudet on rajoi-15 tettu varsin pieniksi huolimatta niiden merkittävästä karke-nevuuden lisäämiskyvystä. Myös kromipitoisuus on varsin alhainen. Sen sijaan nikkeliä ja molybdeenia on käytetty runsaasti .Ensuring a similar microstructure and, consequently, a strength / sit-keys / weldability combination through cross-sections up to 200 mm thick requires a relatively high alloying of the steel. Concentrations of silicon and manganese have been limited to quite low levels despite their significant ability to increase roughness. The chromium content is also quite low. Instead, nickel and molybdenum have been used extensively.

Teräkselle on ominaista seuraava seosaineyhdistelmä: 20 Si max 0,6 % Μη max 1 %Steel is characterized by the following alloy combination: 20 Si max 0.6% Μη max 1%

Cr 0,5 - 1,5 %Cr 0.5 - 1.5%

Ni 2 - 5 %Ni 2 - 5%

Mo 0,3 - 1 % 25 Valitulla seosaineyhdistelmällä teräksen lujittaminen ha lutulle lujuustasolle tapahtuu ensisijaisesti liuoslujittu-misen kautta eikä niinkään martensiittimuutoksen kautta. Tämä jälkimmäinen mekanismi on tyypillistä tunnetuille tämän lujuusluokan valuteräksille.Mo 0.3 - 1% 25 With the selected alloy combination, the reinforcement of the steel to the desired strength level takes place primarily through solution reinforcement and not so much through martensite transformation. This latter mechanism is typical of known cast steels of this strength class.

30 Suhteellisen runsaasta seostuksesta huolimatta teräs vaa tii lämpökäsittelynä nuorrutuksen, jonka karkaisu edellyttää liuotushehkutuksen jälkeen vesi sammutusta. Tämä voidaan kuitenkin tällä teräksellä suorittaa ilman repeilyvaaraa muodoltaan monimutkaisiakin kappaleita käsiteltäessä, sillä 35 pienen hiilipitoisuuden vuoksi martensiittimuodostuksen omi-naistilavuuden muutokset jäävät hyvin pieniksi ja syntyvät jännitykset eivät kohoa lähellekään teräksen murtorajaa.30 Despite the relatively high alloying, the steel requires heat treatment as a heat treatment, the hardening of which requires quenching of the water after solution annealing. However, this can be done with this steel without the risk of tearing when handling even complex pieces, because due to the low carbon content, the changes in the specific volume of the martensite formation remain very small and the resulting stresses do not rise close to the steel fracture limit.

Keksityssä teräksessä ei käytetä oleellisesti mikroseos- 4 84370 aineita kuten titaania, vanadiinia, niobia, booria tai zirkoniumia, jotka ovat tyyppillisiä vastaavan lujuusluokan tunnetuissa hitsattavissa muokatuissa teräksissä.The invented steel essentially does not use microalloy materials such as titanium, vanadium, niobium, boron or zirconium, which are typical of known weldable shaped steels of the corresponding strength class.

Mikroseosainepitoisuudet on rajattu seuraaviin maksimi-5 arvoihin:The concentrations of micro-admixtures are limited to the following maximum values of 5:

Nb 0,02 %Nb 0.02%

Ti 0,02 % V 0,03 %Ti 0.02% V 0.03%

Zr 0,02 % 10 B 0,003 %Zr 0.02% 10 B 0.003%

Kaikki edellä esitetyt pitoisuudet tarkoittavat lopputuotteen pitoisuuksia.All the above concentrations refer to the concentrations of the final product.

Keksinnön mukaista terästä voidaan valmistaa kaksivaiheisella sulatusprosessilla: 15 1. Sulatuksen ensimmäinen vaihe suoritetaan normaalissa ilmavalokaariuunissa, joissa normaalein kuonausprosessein ja tavanomaista sulatusprosessia pitemmälle viedyin happipuhal-luksin sulasta teräksestä poistetaan rikki, fosfori, pii ja mangaani hyvin pieniin pitoisuuksiin. Samalla poistuu myös 20 hiiltä ja kromia merkittäviä määriä. Tässä valokaariuunivai-heessa teräksen kaasupitoisuus erityisesti typen ja hapen suhteen voi olla hyvin korkea.The steel according to the invention can be produced by a two-stage smelting process: 1. The first stage of smelting is carried out in a normal air arc furnace, in which At the same time, 20 amounts of carbon and chromium are removed in significant amounts. In this arc furnace stage, the gas content of the steel, especially with respect to nitrogen and oxygen, can be very high.

2. Toisessa vaiheessa valokaariuunissa sulatettu teräs tyhjökonvertteriin siirrettynä läpikäy lyhyen happipuhallus-25 vaiheen, jolla varmistetaan haitallisten epäpuhtauksien matala pitoisuustaso. Tämän jälkeen täsmätään haluttujen alku-aineitten pitoisuus tavoiterajoihin lisäämällä puhtaita seosaineita. Tässä vaiheessa teräksen kaasupitoisuus saattaa olla suuri.2. In the second stage, the steel melted in the arc furnace, transferred to a vacuum converter, undergoes a short oxygen blowing-25 stage to ensure a low level of harmful impurities. The concentration of the desired elements is then adjusted to the target limits by the addition of pure admixtures. At this point, the gas content of the steel may be high.

30 Seostuksen ja haitallisten epäpuhtauksien jälkeen poiste taan sulasta haitalliset kaasut imemällä konvertteritilaan syvä tyhjö (alle 5 mbar, parhaiten alle 2 mbar) ja sekoittamalla terässulaa samanaikaisesti sulan alta tapahtuvan puhtaan argonin puhaltamisen avulla. Tämän prosessivaiheen ai-35 kana teräksestä poistuvat happi, typpi ja vety em. painetta vastaaviin tasapainopitoisuuksiin, jotka ovat niin pienet, että niillä ei ole heikentävää vaikutusta jähmettyneen teräksen ominaisuuksiin.30 After alloying and harmful impurities, harmful gases are removed from the melt by sucking a deep vacuum into the converter space (less than 5 mbar, preferably less than 2 mbar) and stirring the steel melt simultaneously by blowing pure argon from under the melt. In this process step ai-35, oxygen, nitrogen and hydrogen are removed from the steel to equilibrium concentrations corresponding to the above-mentioned pressure, which are so small that they do not have a detrimental effect on the properties of the solidified steel.

5 843705,84370

Valetulle kappaleelle suoritetaan nuorrutuskäsittely, johon kuuluu vesikarkaisu noin 900 °C lämpötilassa, päästö n. 600 °C lämpötilassa sekä ilma jäähdytys huoneenlämpötilaan. Näin kappaleelle saadaan tyypillisesti 100 - 300 J:n KV— 5 iskusitkeys -40 °C ja -60 °C lämpötiloissa aina 200 mm sei-nämänpaksuuksi in asti. Mikrorakenne on tasainen sälemarten-siittisbainiittinen läpi koko seinämän.The cast is subjected to a rejuvenation treatment, which includes water hardening at a temperature of about 900 ° C, discharge at a temperature of about 600 ° C and air cooling to room temperature. In this way, the body typically has a KV to 5 impact strength of 100 to 300 J at -40 ° C and -60 ° C up to a wall thickness of 200 mm. The microstructure is flat sälemarten-shiitite bainitic throughout the wall.

Terästä voidaan hitsata kylmänä eikä sitä tarvitse hitsauksen jälkeen lämpökäsitellä, kun hitsausenergia pidetään 10 välillä 10 - 35 kJ/cm. Hitsin muutosvyöhyke täyttää perusaineen minimivaatimukset eikä muutosvyöhykkeessä esiinny kylmähalkeamia, mikäli itse hitsin vetytaso ei ylitä 10 ppm:ä.The steel can be welded cold and does not need to be heat treated after welding when the welding energy is kept between 10 and 35 kJ / cm. The weld change zone meets the minimum requirements for the base material and there are no cold cracks in the transform zone if the hydrogen level of the weld itself does not exceed 10 ppm.

Claims (10)

1. Ett gjutst&l med fä legeringsämnen, kännetecknad av, att - de egentliga legeringsämnena är nickel, molybden och krom och deras halter är1. A cast & ll with solid alloys, characterized in that - the real alloys are nickel, molybdenum and chromium and their contents are 2. Ett stäl enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att mik-rolegeringsämnenenas halter är Nb max 0,01 %2. A rack according to claim 1, characterized in that the contents of the microalloy substances are Nb max 0.01% 30 Ti max 0,01 % V max 0,02 % Zr max 0,01 % B max 0,002 %Ti max 0.01% V max 0.02% Zr max 0.01% B max 0.002% 3. Ett stäl enligt nägot av patentkraven 1-2, kännetecknad av, att orenheternas halter är S max 0,005 % 9 84370 P max 0,01 %3. A rack according to any of claims 1-2, characterized in that the contents of the impurities are S max 0.005% 9 84370 P max 0.01% 4. Ett stäl enligt nägot av patentkraven 1-3, kännetecknad av, att kolhalten är 5. max 0,10 %4. A rack according to any one of claims 1-3, characterized in that the carbon content is 5. max 0.10% 5. Ett stäl enligt nägot av patentkraven 1-4, kännetecknad av, att väte- och kvävehalten är H max 2 ppm 10 N max 60 ppm5. A rack according to any of claims 1-4, characterized in that the hydrogen and nitrogen content is H max 2 ppm 10 N max 60 ppm 5 Ni 2,3 - 2,7 % Mo 0,3 - 0,5 % Cr 1 - 1,5 % - silikonets och manganets halter är Si max 0,3 % 10 Μη max 0,5 % - kolhalten är C max 0,12 % - mikrolegeringsämnena niob , titan, vanadin, zirkonium och bor har halternaNi Ni 2.3 - 2.7% Mo 0.3 - 0.5% Cr 1 - 1.5% - The content of silicon and manganese is Si max 0.3% 10 Μη max 0.5% - carbon content is C max 0.12% - the microalloy alloys niobium, titanium, vanadium, zirconium and boron have the contents 15 Nb max 0,02 % Ti max 0,02 % v max 0,03 % Zr max 0,02 % B max 0,003 % 20. orenheterna svavel och fosfor har halterna S max 0,01 % P max 0,012 % och att väte- och kvävehalten är H max 5 ppm 25 N max 100 ppm15 Nb max 0.02% Ti max 0.02% v max 0.03% Zr max 0.02% B max 0.003% 20. The impurities sulfur and phosphorus have levels S max 0.01% P max 0.012% and that hydrogen - and the nitrogen content is H max 5 ppm 25 N max 100 ppm 6. En metod för att tillverka gjutstäl med fä legeringsäm-nen, kännetecknad av, att man tillverkar stälet, enligt nägot av patentkraven 1-5, med en smältprosess i tvä fa- 15 ser, i vilken man - i den första fasen avlägsnar orenheterna som förekommer som fasta ämnen i det stelnade tillständet, medan man til-läter halten av gas i stälet av stiga kraftigt och - i den andra fasen, efter att ha preciserat legeringen, 20 avlägsnar bottenslammet med hjälp av en vakum och inertgas- blandning.6. A method of making casting with the alloying elements, characterized in that the steel is manufactured, according to any of claims 1-5, with a two-phase melting process in which - in the first phase, the impurities are removed which appear as solids in the solidified state, while allowing the content of gas in the place of rise sharply and - in the second phase, after specifying the alloy, the bottom slurry is removed by a vacuum and inert gas mixture. 7. En metod enligt patentkrav 6, kännetecknad av, att vaku-met är under 5 mbar. 257. A method according to claim 6, characterized in that the vacuum is below 5 mbar. 25 8. En metod enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att vaku-met är under 2 mbar.8. A method according to claim 1, characterized in that the vacuum is below 2 mbar. 9. En metod enligt nägot av patentkraven 6-8, kännetecknad 30 av, att man i den andra fasen blandar om det smälta stälet genom att underifrän bläsa argon i det.9. A method according to any of claims 6-8, characterized in that in the second phase, the molten steel is re-mixed by blowing argon from below in it. 10. En metod för att gjuta stälstycken av gjutstäl med fä legeringsämnen, kännetecknad av, att stycket gjuts av ett 35 stäl tillverkat enligt nägot av patentkraven 1-5 eller nägot av patentkraven 6-9, stälet härdas i en ca. 900 °C temperatur med vattenhärdning, stälet släpps i en ca. 600 10 84370 °C temperatur och luftkyls till rumstemperatur pä sä sätt, att slutproduktens mikrostruktur är väsentligt spjälmarten-sitiskt bainitisk. 510. A method of casting casting pieces with fastening alloys, characterized in that the piece is cast from a frame made according to any one of claims 1-5 or some of claims 6-9. 900 ° C temperature with water hardening, the steel is released in a ca. 600 10 84370 ° C temperature and air-cooled to room temperature in such a way that the microstructure of the final product is essentially slime-martinite-bainitic. 5