PL209396B1 - Stal spawalna na elementy konstrukcyjne, sposób obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych ze stali spawalnej oraz sposób obróbki cieplnej blachy ze stali spawalnej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stal spawalna na elementy konstrukcyjne, sposób obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych ze stali spawalnej, oraz sposób obróbki cieplnej blachy ze stali spawalnej.

Z amerykań skiego opisu patentowego US 4,171,233 znana jest stal matrycowa o wysokiej hartowności, wysokiej twardości, dobrej wiązkości, która jest w stanie osiągnąć wysoko polerowaną płaskość powierzchni w warunkach hartowania i odpuszczania w powietrzu i w oleju, a która to stal wykorzystywana jest w procesie trawienia w fotolitografii i do wytwarzania odpowiedniej jakości obiektywów. Zdolność do polerowania tego rodzaju stali ulega zmianie w rezultacie występowania austenitu szczątkowego.

Z publikacji WO96/22396 znany jest sposób wytwarzania stali bainitycznych nie zawierają cych karbidu, które przeznaczone są przede wszystkim na szyny kolejowe, a które to stale posiadają niską zawartość ferrytu.

Z kolei europejski opis patentowy EP 0 881 306 rozwiązuje sposób wytwarzania stali okreś lanych mianem TIP (transformation induced plasticity - stale umacniane przez przemianę fazową), zawierających ferryt i bainit albo mieszankę bainitu i martenzytu z austenitem szczątkowym.

Stale konstrukcyjne muszą mieć określone cechy mechaniczne, aby były przystosowane do zamierzonego użycia, i powinny one w szczególności mieć podwyższoną twardość. Dlatego stosuje się stale podatne na hartowanie, to jest takie, dla których można otrzymać strukturę martenzytyczną lub bainityczną wówczas, gdy chłodzi się je w sposób wystarczająco szybki i skuteczny. Zatem określa się krytyczną prędkość bainityczną, powyżej której otrzymuje się strukturę bainityczną, martenzytyczną lub martenzytyczno-bainityczną w funkcji osiąganej prędkości chłodzenia.

Zdatność do hartowania tych stali zależy od zawartości pierwiastków hartujących. Na ogół, im ilość tych pierwiastków jest większa, tym mniejsza jest krytyczna prędkość bainityczna.

Poza swoimi cechami mechanicznymi stale konstrukcyjne muszą również mieć dobrą spawalność. Otóż wówczas, gdy spawa się element ze stali, strefa spawania, zwana inaczej Zone Affectee Thermiquement (strefa wpływu ciepła) lub ZAT, poddawana jest bardzo wysokiej temperaturze podczas krótkiego okresu czasu, a następnie gwałtownemu chłodzeniu, które nadaje tej strefie podwyższoną twardość, która może prowadzić do drobnych pęknięć powierzchniowych i ograniczać w ten sposób spawalność stali.

W sposób klasyczny spawalność stali może być oszacowana za pomocą obliczenia jej „równoważnika węglowego określonego następującym wzorem:

Ceq. = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 + %Ni/15).

W pierwszym przybliżeniu, im równoważnik węglowy stali jest mniejszy, tym lepiej jest ona spawalna. Jest więc zrozumiałe, że poprawienie hartowności związane jest z większą zawartością pierwiastków hartujących, szkodzących spawalności.

Aby poprawić hartowność tych stali nie szkodząc ich spawalności opracowuje się gatunki mikrostopowe stali z borem, korzystając zwłaszcza z tego, że skuteczność hartowania tego pierwiastka zmniejsza się wówczas, gdy wzrasta temperatura austenityzacji. Zatem ZAT jest czynnikiem mniej hartującym, niż w przypadku gatunku o podobnej hartowności bez boru, a zatem można zmniejszyć hartowność i twardość tej strefy ZAT.

Jednak, ponieważ efekt hartujący boru w części nie spawanej stali ma tendencję do nasycania dla skutecznych zawartości od 30 do 50 ppm (części na milion), dodatkowe poprawienie hartowności stali może nastąpić tylko przez dodanie pierwiastków hartujących, których skuteczność nie zależy od temperatury austenityzacji, co automatycznie szkodzi spawalności tych stali. Podobnie poprawa spawalności dokonuje się przez zmniejszenie zawartości pierwiastków hartujących, które automatycznie zmniejszają hartowność stali.

Celem niniejszego wynalazku jest zaradzenie tej niedogodności proponując stal konstrukcyjną mającą polepszoną hartowność bez zmniejszania jej spawalności.

Zgodnie z wynalazkiem stal spawalna na elementy konstrukcyjne, charakteryzuje się tym, że jej skład chemiczny wagowo zawiera:

0,40% < C < 0,50%

0,50% < Si < 1,50%

0% < Mn < 3%

0% < Ni < 5%

0% < Cr < 4%

PL 209 396 B1

0% < Cu < 1%

0% < Mo +W/2 < 1,5%

0,0005% < B < 0,010%

N < 0,025%

Al < 0,9%

Si + Al < 2,0%, ewentualnie co najmniej jeden pierwiastek wybrany spośród V, Nb, Ta, S i Ca o zawartościach mniejszych od 0,3%, i/lub spośród Ti i Zr o zawartościach mniejszych lub równych 0,5%, a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym zawartości glinu, boru, tytanu i azotu, wyrażone w tysięcznych częściach %, spełniają ponadto następującą zależność:

B>-xK + 0,5 (1) gdzie: K = Min (I*; J*)

I* = Max (0; I) i J* - Max (0; J)

I = Min (N; N - 0,29 (Ti - 5))

J = Min (N ;0,5^ N - 0,52 Al/(( - 0,52 Al )² + 283 zaś stal jest o strukturze bainitycznej, martenzytycznej lub martenzytyczno-bainitycznej i zawiera ponadto od 3% do 20% austenitu szczątkowego, a korzystnie od 5 do 20% austenitu szczątkowego.

Korzystnie, skład chemiczny stali spełnia ponadto następującą zależność:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) > 1, a korzystniej > 2.

Korzystnie, skład chemiczny stali spełnia ponadto następującą zależność:

%Cr + 3(%Mo + %W/2) > 1,8, a korzystniej > 2,0.

Natomiast sposób obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych ze stali spawalnej, o podanym wyżej składzie chemicznym, charakteryzuje się tym, że:

- austenityzuje się element przez ogrzewanie do temperatury zawartej między Ac3 i 1000°C, a korzystnie zawartej między Ac3 i 950°C, a następnie chłodzi się go do temperatury niższej lub równej 200°C tak, że w rdzeniu elementu stalowego prędkość chłodzenia między temperaturą 800°C i 500°C jest wyższa lub równa krytycznej prędkości bainitycznej,

- ewentualnie przeprowadza się odpuszczanie w temperaturze niższej lub równej Ac1.

W temperaturze między około 500°C i temperaturą otoczenia, a zwłaszcza między temperaturą 500°C i temperaturą niższą lub równą 200°C, prędkość chłodzenia może być ewentualnie zmniejszona, zwłaszcza dla ułatwienia zjawiska samo-odpuszczania i zatrzymania od 3% do 20% austenitu szczątkowego.

Korzystnie, w rdzeniu elementu konstrukcyjnego ze stali spawalnej prędkość chłodzenia między temperaturą 500°C i temperaturą niższą lub równą 200°C utrzymuje się między 0,07°C/s i 5°C/s, a korzystniej między 0,15°C/s i 2,5°C/s.

Korzystnie, po przeprowadzeniu chłodzenia do temperatury niższej lub równej 200°C prowadzi się odpuszczanie w temperaturze niższej od 300°C w czasie krótszym od 10 godzin.

Korzystnie, w sposobie tym po przeprowadzeniu chłodzenia elementu do temperatury niższej lub równej 200°C nie przeprowadza się odpuszczania.

Z kolei sposób obróbki cieplnej blachy ze stali spawalnej, o podanym wyżej składzie chemicznym, której grubość zawarta jest między 3 mm i 150 mm, charakteryzuje się tym, że przeprowadza się hartowanie tej blachy, przy czym prędkość chłodzenia VR w jej rdzeniu, w temperaturze między 800°C i 500°C, wyrażona w °C/h, oraz skład stali są takie, że:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log VR > 5,5, a korzystnie > 6, przy czym logarytm jest logarytmem dziesiętnym.

Niniejszy wynalazek oparty jest na nowym stwierdzeniu, że dodatek krzemu o zawartościach wskazanych powyżej umożliwia wzrost działania hartującego boru od 30% do 50%. To współdziałanie następuje bez wzrostu ilości dodanego boru, podczas gdy krzem nie ma znacznego działania hartującego przy braku boru.

PL 209 396 B1

Z drugiej strony dodatek krzemu nie wpł ywa na własność boru z punktu widzenia jego hartowności, która się zmniejsza, a następnie zanika wraz z rosnącymi temperaturami austenityzacji, jak to jest w przypadku strefy ZAT.

Widać więc, że stosowanie krzemu w obecności boru umożliwia jeszcze zwiększenie hartowności elementu, nie pogarszając jego spawalności.

Ponadto odkryto również, że dzięki polepszeniu hartowności tych gatunków stali, i zapewniając minimalną zawartość pierwiastków węglikotwórczych, którymi zwłaszcza są chrom, molibden i wolfram, można wytwarzać te stale nie przeprowadzając odpuszczania w niskiej temperaturze, a nawet eliminując to odpuszczanie.

W rezultacie polepszenie hartownoś ci umoż liwia bardziej powolne chł odzenie elementów, cał kowicie zapewniając strukturę głównie bainityczną, martenzytyczną lub martenzytyczno-bainityczną. To powolniejsze chłodzenie, zestawione z wystarczającą zawartością pierwiastków węglikotwórczych, umożliwia wówczas wytrącanie drobnych węglików chromu, molibdenu i/lub wolframu w wyniku zjawiska zwanego samo-odpuszczaniem. To zjawisko samo-odpuszczania jest ponadto znacznie ułatwione przez zmniejszenie prędkości chłodzenia poniżej 500°C na godzinę. Podobnie to zmniejszenie prędkości ułatwia także zatrzymanie austenitu, korzystnie w proporcji zawartej od 3% do 20%. Zatem upraszcza się sposób wytwarzania, znacznie poprawiając własności mechaniczne stali, które już nie podlegają znacznemu obniżeniu wywołanemu odpuszczaniem w wysokiej temperaturze, jak to ma zwykle miejsce w praktyce. Pozostaje jednak możliwość przeprowadzenia takiego odpuszczania w zwykłych temperaturach, to jest niższych lub równych Ac1.

Poniżej wynalazek zostanie opisany bardziej szczegółowo, ale w sposób nie ograniczający.

Stal elementu według wynalazku zawiera wagowo:

- ponad 0,40% węgla, aby umożliwić otrzymanie doskonałych cech mechanicznych, ale mniej od 0,50%, aby uzyskać dobrą spawalność, dobrą skrawalność, dobrą podatność na zginanie oraz zadowalającą ciągliwość,

- ponad 0,50%, korzystnie ponad 0,75%, a szczególnie korzystnie ponad 0,85% wagowych krzemu, aby otrzymać współdziałanie z borem, ale mniej od 1,50% wagowych, aby nie powodować kruchości stali,

- ponad 0,0005%, a korzystnie ponad 0,001% boru, aby dostosować hartowność, ale mniej od 0,010% wagowych, aby uniknąć zbyt dużej zawartości azotków boru szkodliwych dla cech mechanicznych stali,

- mniej od 0,025%, a korzystnie mniej od 0,015% azotu, przy czym otrzymana zawartość jest funkcją sposobu wytapiania stali,

- od 0% do 3%, a korzystnie od 0,3% do 1,8% manganu, od 0% do 5%, a korzystnie od 0% do 2% niklu, od 0% do 4% chromu, od 0% do 1% miedzi, przy czym suma zawartości molibdenu i połowy zawartości wolframu jest niższa od 1,50%, aby otrzymać strukturę głównie bainityczną, martenzytyczną lub martenzytyczno-bainityczną, z tym, że chrom, molibden i wolfram dają ponadto korzyść polegającą na umożliwieniu tworzenia się węglików korzystnych dla wytrzymałości mechanicznej i dla odporności na zużycie jak wskazano poprzednio, ponadto suma %Cr + 3(%Mo + %W/2) jest korzystnie wyższa od 1,8%, a korzystniej wyższa od 2,0%, aby móc ewentualnie ograniczać odpuszczanie w temperaturze 300°C, lub nawet je wyeliminować ,

- mniej od 0,9% glinu, którego wię ksza zawartość był aby szkodliwa dla lejnoś ci (zakorkowanie przewodów odlewniczych przez wtrącenia), przy czym zawartość połączona glinu i krzemu musi ponadto być niższa od 2,0%, aby ograniczać ryzyko pęknięcia podczas walcowania,

- ewentualnie co najmniej jeden pierwiastek wybrany spoś ród V, Nb, Ta, S i Ca o zawartościach mniejszych od 0,3%, i/lub spośród Ti i Zr o zawartościach mniejszych lub równych 0,5%, przy czym dodatek V, Nb, Ta, Ti, Zr umożliwia uzyskanie utwardzenia przez wytrącanie nie szkodząc nadmiernie spawalności, zaś tytan, cyrkon i glin mogą być użyte dla związania azotu obecnego w stali, co chroni bor, przy czym tytan może być zastąpiony całkowicie lub częściowo przez podwójną ilość Zr, natomiast siarka i wapń umożliwiają poprawienie obrabialności tego gatunku stali,

- zawartości glinu, boru, tytanu i azotu, wyraż one w tysięcznych częściach %, spełniają ponadto następującą zależność:

B>-xK + 0,5 (1) gdzie: K = Min (I*; J*)

PL 209 396 B1

I* = Max (0; I) i J* - Max (0; J)

I = Min (N; N - 0,29 (Ti - 5))

J = Min (N ;0,5^ N - 0,52 Al+)(( - 0,52 Al )² + 283 a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikają ce z wytapiania.

Aby wytworzyć element konstrukcyjny ze stali spawalnej wytapia się stal według wynalazku, odlewa się ją w postaci półproduktu, który jest wówczas kształtowany przez odkształcenie plastyczne na gorąco, na przykład przez walcowanie lub przez kucie. Element tak otrzymany jest wówczas austenityzowany przez ogrzewanie do temperatury powyżej Ac3, ale niższej od 1000°C, a korzystnie niższej od 950°C, a następnie chłodzony aż do temperatury otoczenia w taki sposób, aby w rdzeniu tego elementu prędkość chłodzenia między temperaturami 800°C i 500°C była wyższa od krytycznej prędkości bainitycznej. Ogranicza się temperaturę austenityzacji do 1000°C, ponieważ w temperaturze wyższej wpływ hartujący boru staje się zbyt mały.

Jednak możliwe jest również otrzymanie elementu przez bezpośrednie chłodzenie z kształtowaniem na gorąco (bez ponownej austenityzacji), a w takim przypadku, nawet jeśli temperatura ogrzewania przed kształtowaniem przekracza temperaturę 1000°C, pozostając wciąż poniżej 1300°C, bor zachowuje wówczas swoje działanie.

Aby ochłodzić element do temperatury otoczenia od temperatury austenityzacji, można go hartować stosując wszystkie znane sposoby hartowania (gaz, olej, woda), podczas których prędkość chłodzenia jest wyższa od krytycznej prędkości bainitycznej.

Ewentualnie poddaje się następnie element klasycznemu odpuszczaniu w temperaturze niższej lub równej Ac1, ale preferuje się ograniczenie temperatury do 300°C, a nawet wyeliminowanie tego etapu. W rezultacie brak odpuszczania może być ewentualnie wyrównany przez zjawisko samoodpuszczania. To zjawisko jest szczególnie chętnie stosowane doprowadzając do prędkości chłodzenia w niższej temperaturze (to jest poniżej około 500°C), korzystnie w zakresie od 0,07°C/s do 5°C/s, a korzystniej od 0,15°C/s do 2,5°C/s.

W tym celu można zastosować wszystkie znane ś rodki hartowania pod warunkiem ich kontrolowania, jeśli jest to niezbędne. Zatem można, na przykład, stosować hartowanie w wodzie, jeśli zwolni się prędkość chłodzenia wówczas gdy temperatura elementu spadnie poniżej 500°C, co będzie można dokonać zwłaszcza wyjmując element z wody, aby zakończyć hartowanie w powietrzu.

Otrzymuje się zatem element, a zwłaszcza blachę spawalną, utworzoną ze stali mającej strukturę bainityczną, martenzytyczną lub martenzytyczno-bainityczną w rdzeniu, zawierającą od 3% do 20% austenitu szczątkowego.

Obecność austenitu szczątkowego daje szczególną korzyść ze względu na zachowanie przez stal zdolności do spawania. W rezultacie, aby ograniczyć ryzyko pęknięć podczas spawania, i uzupełnić wyżej wymienione zmniejszenie hartowności strefy ZAT, obecność austenitu szczątkowego w metalu bazowym, w sąsiedztwie strefy ZAT, umożliwia związanie części wodoru rozpuszczonego, ewentualnie wprowadzonego przez operację spawania, gdyż wodór, który jeśli nie byłby związany zwiększałby ryzyko pęknięcia.

Tytułem przykładu wytworzono małe wlewki ze stali 1 i 2 według wynalazku i ze stali A i B według stanu techniki, których składy chemiczne, w tysięcznych częściach % wagowych, z wyjątkiem żelaza, są następujące:

	C	Si	B	Mn	Ni	Cr	Mo	W	V	Nb	Ti	Al	N
1	415	870	2	1150	510	1110	450	-	-	-	-	55	6
A	420	315	3	1150	520	1130	460	-	-	-	-	52	5
2	450	830	3	715	1410	1450	410	230	65	38	32	25	6
B	460	280	3	720	1430	1470	425	240	63	42	31	27	6

Po kuciu wlewków hartowność czterech stali została określona przez analizę dylatometryczną.

Zainteresowanie skupia się, tytułem przykładu, na hartowności martenzytycznej, czyli krytycznej prędkości martenzytycznej V1 po austenityzacji w temperaturze 900°C w czasie 15 minut.

PL 209 396 B1

Z tej prędkości V1 wnioskuje się maksymalne grubości blach, które moż na otrzymać zachowując strukturę w zasadzie martenzytyczną w rdzeniu, i zawierającą również co najmniej 3% austenitu szczątkowego. Te grubości określone zostały dla przypadku hartowania w powietrzu (A), w oleju (H) i w wodzie (E).

Na koniec oceniono spawalność dwóch stali obliczając ich procentowy równoważnik węglowy według wzoru:

Ceq = (%C + %Mn/6 + (%Cr + (%Mo + %W/2) + %V)/5 + %Ni/15)

Cechy wlewków L1 i L2 według wynalazku i wlewków LA i LB, podanych tytułem porównania, są następujące:

Wlewek	o 0 < ΖΓ “k	Grubość maksymalna (mm)	Ceq (%)
A	H	E
L1	8800	7	60	100	0,95
LA	15000	4	40	75	0,91
L2	5000	13	80	120	1,07
LB	8200	8	55	85	1,09

Stwierdzono, że krytyczne prędkości martenzytyczne elementów według wynalazku są nieco niższe od odpowiadających prędkości wlewków ze stali znanych ze stanu techniki, co oznacza, że ich hartowność została znacznie polepszona, podczas gdy w tym samym czasie ich spawalność pozostała niezmieniona.

Polepszenie hartowności umożliwia zatem wytwarzanie elementów o strukturze hartowanej w rdzeniu w mniej ostrych warunkach chłodzenia niż warunki znane ze stanu techniki, i/lub o większych grubościach maksymalnych.

Claims (11)

1. Stal spawalna na elementy konstrukcyjne, znamienna tym, że jej skład chemiczny wagowo zawiera:

0,40% < C < 0,50%

0,50% < Si < 1,50%

0% < Mn < 3%

0% < Ni < 5%

0% < Cr < 4%

0% < Cu < 1%

0% < Mo +W/2 < 1,5%

0,0005% < B < 0,010%

N < 0,025%

Al < 0,9%

Si + Al < 2,0%, ewentualnie co najmniej jeden pierwiastek wybrany spośród V, Nb, Ta, S i Ca o zawartościach mniejszych od 0,3%, i/lub spośród Ti i Zr o zawartościach mniejszych lub równych 0,5%, a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z wytapiania, przy czym zawartości glinu, boru, tytanu i azotu, wyrażone w tysięcznych częściach %, spełniają ponadto następującą zależność:

B>-xK + 0,5 (1) gdzie: K = Min (I*; J*)

I* = Max (0; I) i J* - Max (0; J)

I = Min (N; N - 0,29 (Ti - 5))

PL 209 396 B1

J = Min (N ;0,5^ N - 0,52 Al+J(( - 0,52 Al )² + 283 zaś stal jest o strukturze bainitycznej, martenzytycznej lub martenzytyczno-bainitycznej i zawiera ponadto od 3% do 20% austenitu szczątkowego.

2. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że jej skład chemiczny spełnia ponadto następującą zależność:

1,1%Mn + 0,7%Ni+ 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) > 1.

3. Stal według zastrz. 2, znamienna tym, że jej skład chemiczny spełnia ponadto następującą zależność:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) > 2.

4. Stal według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że jej skład chemiczny spełnia ponadto następującą zależność:

%Cr + 3(%Mo + %W/2) > 1,8.

5. Stal według zastrz. 4, znamienna tym, że jej skład chemiczny spełnia ponadto następującą zależność:

%Cr + 3(%Mo + %W/2) > 2,0.

6. Sposób obróbki cieplnej elementów konstrukcyjnych ze stali spawalnej, określonej w zastrz. 1 do 5, znamienny tym, że:

- austenityzuje się element przez ogrzewanie do temperatury zawartej między Ac3 i 1000°C, a następnie chłodzi się go do temperatury niższej lub równej 200°C tak, że w rdzeniu elementu stalowego prędkość chłodzenia między temperaturą 800°C i 500°C jest wyższa lub równa krytycznej prędkości bainitycznej,

- ewentualnie przeprowadza się odpuszczanie w temperaturze niższej lub równej Ac1.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że w rdzeniu elementu konstrukcyjnego ze stali spawalnej prędkość chłodzenia między temperaturą 500°C i temperaturą niższą lub równą 200°C utrzymuje się między 0,07°C/s i 5°C/s.

8. Sposób według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że po przeprowadzeniu chłodzenia do temperatury niższej lub równej 200°C prowadzi się odpuszczanie w temperaturze niższej od 300°C w czasie krótszym od 10 godzin.

9. Sposób według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że po przeprowadzeniu chłodzenia do temperatury niższej lub równej 200°C nie przeprowadza się odpuszczania.

10. Sposób obróbki cieplnej blachy ze stali spawalnej, określonej w zastrz. 1 do 5, której grubość zawarta jest między 3 mm i 150 mm, znamienny tym, że przeprowadza się hartowanie tej blachy, przy czym prędkość chłodzenia VR w jej rdzeniu, w temperaturze między 800°C i 500°C, oraz skład stali są takie, że:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log VR > 5,5.

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że prędkość chłodzenia VR w rdzeniu blachy, w temperaturze między 800°C i 500°C, oraz skład stali są takie, że:

1,1%Mn + 0,7%Ni + 0,6%Cr + 1,5(%Mo + %W/2) + log VR > 6.