PL234490B1 - Method for heat treatment of steel - Google Patents

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej nisko- lub średniostopowych stopów żelaza: stali i staliwa, w wyniku której wytwarza się silnie rozdrobnioną, wielofazową mikrostrukturę zawierającą płytki lub listwy ferrytu bainitycznego, wydzielenia odpuszczonego martenzytu w postaci płytek, igieł lub listew, oraz stabilny austenit resztkowy w postaci cienkich warstw lub drobnodyspersyjnych ziaren. Odpowiednio sterując parametrami obróbki można wytworzyć skład fazowy i mikrostrukturę stopu, które zapewniają mu wysokie parametry wytrzymałościowe, ciągliwość, odporność na pękanie i na zużycie ścierne.The subject of the invention is a method of heat treatment of low- or medium-alloyed iron alloys: steel and cast steel, as a result of which a finely divided, multiphase microstructure is produced containing bainite ferrite plates or strips, separation of tempered martensite in the form of plates, needles or strips, and stable residual austenite in in the form of thin layers or fine grains. By appropriately controlling the processing parameters, it is possible to create the phase composition and microstructure of the alloy, which provide it with high strength parameters, ductility, resistance to cracking and abrasive wear.

Z opisu patentowego US20060011274 A1 znana jest metoda obróbki cieplnej hartowania i partycjonowania. Po procesie pełnej austenityzacji stal hartowana jest do określonej temperatury (Tq) leżącej pomiędzy temperaturą Ms - początku przemiany martenzytycznej i temperaturą Mf - końca przemiany martenzytycznej, umożliwiając wytworzenie zadanej ilości martenzytu. Następnie element podgrzewany jest do temperatury partycjonowania (Tp) spełniającej warunki specyficznej para-równowagi, przy której granice międzyfazowe austenit-martenzyt pozostają nieruchome. W temperaturze Tp dochodzi do dyfuzji węgla z martenzytu do austenitu i do wzrostu zawartości węgla w austenicie. W rezultacie następuje stabilizacja austenitu. Aby cały dyfundujący węgiel wzbogacał i stabilizował austenit stal powinna zawierać odpowiednią koncentrację atomów takich pierwiastków jak krzem (Si) lub aluminium (Al), hamujących zarodkowanie węglików żelaza (cementytu). W wyniku tej obróbki uzyskuje się dwufazową mikrostrukturę martenzytyczno-austenityczną. Niedogodnością tego rodzaju obróbki jest brak możliwości kontroli wielkości wydzieleń (igieł, płytek lub listew) martenzytu powstających w etapie hartowania. Wydzielenia martenzytu rosną w pierwszym etapie przemiany martenzytycznej przez całe ziarno, co może przekładać się na zwiększone odkształcenia hartownicze podczas procesu hartowania oraz na spadek odporności na pękanie.From the patent description US20060011274 A1 a method of hardening and partitioning heat treatment is known. After the process of full austenitization, the steel is hardened to a specific temperature (Tq) lying between the temperature Ms - the beginning of the martensitic transformation and the temperature Mf - the end of the martensitic transformation, enabling the production of a given amount of martensite. Then the element is heated to the partitioning temperature (Tp) which satisfies the conditions of a specific para-equilibrium, at which the austenite-martensite interfaces remain stationary. At the temperature Tp, carbon diffuses from martensite into austenite and the carbon content in austenite increases. As a result, austenite stabilizes. In order for all diffusible carbon to enrich and stabilize austenite, the steel should contain an appropriate concentration of atoms of elements such as silicon (Si) or aluminum (Al), inhibiting the nucleation of iron carbides (cementite). As a result of this treatment, a two-phase martensitic-austenitic microstructure is obtained. The disadvantage of this type of treatment is the inability to control the size of the martensite precipitates (needles, plates or strips) formed during the tempering stage. The precipitation of martensite increases in the first stage of the martensitic transformation throughout the grain, which may translate into increased hardening deformations during the hardening process and a decrease in fracture toughness.

Znana jest także metoda wytwarzania nanostrukturalnego bainitu bezwęglikowego (tzw. nanobainitu), przy zastosowaniu hartowania izotermicznego w ściśle określonym zakresie temperatur przemiany bainitycznej (opisy zgłoszeń patentowych: EP2410070 A1, WO 2010013054 A2, US 2011 0126946 A1. Po procesie pełnej austenityzacji stal jest hartowana do temperatury leżącej powyżej temperatury Ms, w zakresie 190-300°C, i wytrzymywana w tej temperaturze aż do całkowitego zakończenia przemiany bainitycznej, a następnie powoli chłodzona. W wyniku tej obróbki otrzymuje się strukturę nanokrystalicznego bainitu zawierającą 50-90% ferrytu bainitycznego, reszta to austenit szczątkowy. Udział każdej z faz zależy bezpośrednio od składu chemicznego stali oraz temperatury przystanku izotermicznego. Niedogodnością tej obróbki cieplnej jest konieczność całkowitego zakończenia przemiany bainitycznej, tak aby pozostający austenit szczątkowy podczas końcowego chłodzenia nie ulegał przemianie w twardy i kruchy martenzyt, co skutkowałoby znaczącym obniżeniem właściwości mechanicznych (odporności na pękanie). Obróbka ograniczona jest do stali o zwiększonej zawartości węgla (0,6-1,1% mas.), gdyż w takich stalach pozostały po przemianie bainitycznej austenit jest stabilny podczas chłodzenia do temperatury pokojowej, w związku z czym nie ma ryzyka wystąpienia przemiany martenzytycznej. W metodzie tej istnieją ograniczenia co do jej stosowalności względem udziału pozostałych dodatków stopowych, których zawartość powinna mieścić się w następujących zakresach % mas.: 1,5-2,0% Si, 0,5-1,8% Mn, do 3% Ni, 1,0-1,5% Cr, 0,2-0,5% Mo, 0,1-0,2% V. Ponadto stale te wymagają niezwykle długotrwałego procesu wyżarzania izotermicznego. W zależności od składu chemicznego stali i temperatury wyżarzania izotermicznego proces ten może trwać od kilkunastu godzin do kilku tygodni. Tak długie procesy nie są akceptowane w produkcji przemysłowej, zwłaszcza średnio- i wielkoseryjnej, ze względów ekonomicznych. Ponadto wysoka zawartość węgla w tych stalach ogranicza ich spawalność i powoduje niską udarność, która w próbie Charpy'ego mieści się w zakresie 4-7 J. Ograniczenia składu chemicznego sprawiają, że metoda ta może być stosowana do oryginalnych wytopów stali o precyzyjnie zaprojektowanym składzie chemicznym.There is also a known method of producing nano-structured carbide-free bainite (so-called nanobainite), using isothermal quenching in a strictly defined temperature range of bainite transformation (patent application descriptions: EP2410070 A1, WO 2010013054 A2, US 2011 0126946 A1. After the process of full austenitization, the steel is hardened to temperature lying above the Ms temperature, in the range 190-300 ° C, and held at this temperature until the bainite transformation is completely completed, and then slowly cooled. As a result of this treatment, a nanocrystalline bainite structure containing 50-90% bainitic ferrite is obtained, the rest is Residual austenite The proportion of each of the phases depends directly on the chemical composition of the steel and the isothermal stop temperature The inconvenience of this heat treatment is the necessity to complete the bainite transformation completely, so that the residual austenite remaining during the final cooling does not change into hard and brittle marten it would result in a significant reduction of mechanical properties (fracture toughness). The processing is limited to steels with an increased carbon content (0.6-1.1 wt.%), Because in such steels the austenite remaining after the bainite transformation is stable when cooled to room temperature, and therefore there is no risk of martensitic transformation. In this method, there are limitations as to its applicability in relation to the share of other alloying additives, the content of which should be in the following ranges:% by weight: 1.5-2.0% Si, 0.5-1.8% Mn, up to 3% Ni, 1.0-1.5% Cr, 0.2-0.5% Mo, 0.1-0.2% V. Moreover, these steels require an extremely long isothermal annealing process. Depending on the chemical composition of the steel and the isothermal annealing temperature, this process may take from several hours to several weeks. Such long processes are not accepted in industrial production, especially medium and large series, for economic reasons. In addition, the high carbon content in these steels limits their weldability and causes low impact toughness, which in the Charpy test is in the range of 4-7 J. Due to the limitations of the chemical composition, this method can be used for original steel melts with a precisely designed chemical composition .

Z opisu zgłoszenia patentowego US 2013 0167983 A1 znany jest sposób wytwarzania struktury superbainitycznej, składającej się z austenitu szczątkowego o zawartości 10-30% obj. węglików o zawartości 5-20% obj. oraz płytek bainitu dolnego i płytek nanobainitu, przy czym wielkość tych płytek jest mniejsza niż 100 nm. Mikrostruktura taka otrzymywana jest poprzez zastosowanie precyzyjnie zaprojektowanej obróbki cieplnej z wyżarzaniem w zakresie bainitycznym, powyżej temperatury MS i poniżej 350°C, najlepiej w zakresie 220-300°C Zawartość dodatków stopowych w składzie chemicznym stali superbainitycznych powinna mieścić się w następujących zakresach % mas.: 0,4-1,1% C, 0,15-1,2% Si, 0,4-2,1% Mn, do 2% Al, do 1,4% Cr, do 2,5% Ni, do 0,6% Mo, do 0,3% V, do 3% Co, maks. 0,025% P, maks. 0,025% S. Stale superbainityczne w porównaniu do stali nanobainitycznych wymagają krótszego czasu trwania procesu (od 8 doFrom the patent application US 2013 0167983 A1 there is known a method of producing a superbainite structure consisting of residual austenite with a content of 10-30 vol. carbides with 5-20% vol. and lower bainite plates and nanobainite plates, with the size of these plates being less than 100 nm. Such a microstructure is obtained by applying a precisely designed heat treatment with annealing in the bainitic range, above the MS temperature and below 350 ° C, preferably in the range of 220-300 ° C. The content of alloying additives in the chemical composition of superbainite steels should be in the following ranges by mass. : 0.4-1.1% C, 0.15-1.2% Si, 0.4-2.1% Mn, up to 2% Al, up to 1.4% Cr, up to 2.5% Ni, up to 0.6% Mo, up to 0.3% V, up to 3% Co, max. 0.025% P, max. 0.025% S. Superbainite steels require a shorter process time compared to nanobainite steels (from 8 to

PL 234 490 B1PL 234 490 B1

h), jednak obecność wydzieleń cementytu (w zakresie 5-20% obj.) może przyczyniać się do spadku odporności na kruche pękanie.h), however, the presence of precipitates of cementite (in the range of 5-20% vol.) may contribute to a decrease in fracture toughness.

Z opisu patentowego PL 218480 B1 znany jest sposób wytwarzania nanokompozytowej stali bainityczno-austenitycznej zawierającej w % mas.: 0,55-0,59% C, 1,95-2,10% Mn, 1,75-1,90% Si, 1,23-1,40% Cr, 0,70-0,80% Mo, 0,09-0,12% V, 0,006-0,009% Ti, 0,015-0,025% Al, maks. 0,015% P, maks. 0,015% S, maks. 0,0050% N. Sposób wytwarzania ultrawysokowytrzymałych blach z nanokompozytowej stali bainityczno-austenitycznej jest procesem zintegrowanym ciągłym, składającym się z operacji wykonywanych bezpośrednio po sobie: nagrzewania wsadu do walcowania, walcowania na gorąco kończonego w temperaturze z przedziału 950-850°C, regulowanego chłodzenia bezpośrednio po zakończeniu walcowania do temperatury Ms + 35°C, gdzie Ms jest temperaturą początku przemiany martenzytycznej, i następującego bezpośrednio po ochłodzeniu do temperatury Ms + 35°C wygrzewania izotermicznego w temperaturze Ms + 35°C w czasie 70 godzin z następującym po tym wygrzewaniu chłodzeniem blachy w spokojnym powietrzu. Sposób wytwarzania nanokompozytowej stali bainityczno-austenitycznej ma podobne ograniczenia jak metoda wytwarzania nanobainitu, które wynikają z długiego czasu trwania procesu (70 h) i konieczności stosowania oryginalnych wytopów o precyzyjnie zaprojektowanym składzie chemicznym.The patent description PL 218480 B1 describes a method of producing nanocomposite bainitic-austenitic steel containing by weight%: 0.55-0.59% C, 1.95-2.10% Mn, 1.75-1.90% Si , 1.23-1.40% Cr, 0.70-0.80% Mo, 0.09-0.12% V, 0.006-0.009% Ti, 0.015-0.025% Al, max 0.015% P, max 0.015% S, max. 0.0050% N. The method of producing ultra-high-strength sheets from nanocomposite bainitic-austenitic steel is an integrated continuous process, consisting of operations performed in succession: heating the rolling charge, hot rolling finished at a temperature within the range of 950-850 ° C, controlled cooling immediately after rolling to the temperature Ms + 35 ° C, where Ms is the temperature of the beginning of the martensitic transformation, and immediately after cooling to the temperature Ms + 35 ° C isothermal heating at the temperature of Ms + 35 ° C in time of 70 hours with the subsequent cooling of the sheet in still air. The method of producing nanocomposite bainitic-austenitic steel has similar limitations as the method of producing nanobainite, which result from the long duration of the process (70 h) and the need to use original heats with a precisely designed chemical composition.

Wiadomo, że właściwości stali są ściśle związane z jej składem fazowym i mikrostrukturą. Składniki twarde, takie jak ferryt bainityczny i martenzyt, umacniają stop, natomiast austenit zapewnia jego plastyczność i odporność na kruche pękanie. Warunkiem jest odpowiednia morfologia austenitu szczątkowego, która powinna zapewniać jego perkolację, co występuje w przypadku, gdy ma on postać cienkich wydłużonych warstw, a jego udział objętościowy jest większy niż 10% (H.K.D.H. Bhadeshia, Materials Science and Engineering, A 481-482 (2008), 36-39). Generalnie zawartość austenitu może być większa i sięgać nawet 50%. Austenit powinien mieć jednak postać wąskich warstw lub drobnodyspersyjnych wydzieleń rozmieszczonych równomiernie w mikrostrukturze. Wzrost udziału stabilnego austenitu resztkowego o takiej morfologii w końcowej mikrostrukturze przyczynia się do przyrostu p lastyczności stali oraz jej udarności i odporności na kruche pękanie. Natomiast wystąpienie austenitu w postaci dużych bloków może odwrotnie, przyczyniać się do spadku udarności stali (H.K.D.H. Bhadeshia „Bainite in Steels: Theory and Practice”, Maney Publishing, 3rd Edition, 2015).It is known that the properties of steel are closely related to its phase composition and microstructure. Hard components, such as bainite ferrite and martensite, strengthen the alloy, while austenite ensures its ductility and resistance to brittle fracture. The condition is the appropriate morphology of the residual austenite, which should ensure its percolation, which occurs when it has the form of thin elongated layers and its volume share is greater than 10% (HKDH Bhadeshia, Materials Science and Engineering, A 481-482 (2008 ), 36-39). Generally, the content of austenite can be higher, reaching even 50%. Austenite should, however, be in the form of narrow layers or fine-dispersed particles evenly distributed in the microstructure. The increase in the share of stable residual austenite with such a morphology in the final microstructure contributes to the increase in the plasticity of the steel and its impact toughness and fracture toughness. On the other hand, the occurrence of austenite in the form of large blocks may, on the contrary, contribute to a decrease in the impact toughness of steel (H.K.D.H. Bhadeshia "Bainite in Steels: Theory and Practice", Maney Publishing, 3rd Edition, 2015).

Celem wynalazku było wytworzenie w stali lub staliwie drobnoziarnistej i wielofazowej mikrostruktury, gwarantującej połączenie wysokich parametrów mechanicznych, takich jak twardość, granica plastyczności i wytrzymałość podczas rozciągania z wysoką ciągliwością, przy jednoczesnym wyeliminowaniu niedogodności obróbek cieplnych znanych z opisu stanu techniki.The aim of the invention was to produce a fine-grained and multiphase microstructure in steel or cast steel, guaranteeing a combination of high mechanical parameters, such as hardness, yield point and tensile strength with high ductility, while eliminating the inconvenience of heat treatments known from the description of the prior art.

Sposób obróbki cieplnej stali według wynalazku, oznaczony symbolem B-Q&P, obejmuje pięć występujących kolejno po sobie etapów: (A) austenityzację, (B) hartowanie z przystankiem izotermicznym w zakresie bainitycznym, (Q) niepełne hartowanie martenzytyczne, (P) partycjonowanie węgla oraz (C) chłodzenie.The method of heat treatment of steel according to the invention, denoted by the symbol B-Q & P, comprises five successive stages: (A) austenitization, (B) quenching with an isothermal bainitic stop, (Q) incomplete martensitic quenching, (P) carbon partitioning and (C) cooling.

Sposób obróbki cieplnej według wynalazku polega na tym, że element z materiału wyjściowego, którym jest stal lub staliwo nisko- lub średniostopowe, w których występuje przemiana bainityczna, a udział węgla i dodatków stopowych jest taki, by stop po austenityzacji zapewniał temperaturę początku przemiany martenzytycznej Ms wyższą niż 130°C i niższą od 350°C, obrabia się termicznie w następujących etapach:The method of heat treatment according to the invention consists in the fact that an element made of the starting material, which is steel or cast steel, low or medium alloy, in which there is a bainite transformation, and the share of carbon and alloying additives is such that the alloy after austenitization provides the temperature of the martensitic transformation start Ms higher than 130 ° C and lower than 350 ° C, heat treated in the following steps:

- etap A: nagrzewanie do temperatury austenityzacji Ta i wytrzymanie w tej temperaturze przez określony czas tA,- stage A: heating to austenitizing temperature Ta and keeping at this temperature for a specified time tA,

- etap B: hartowanie do temperatury przystanku izotermicznego Tb leżącej w zakresie pomiędzy temperaturą Ms(y) + ΔΤ a 350°C i wytrzymanie w tej temperaturze przez określony czas tB, do uzyskania udziału objętościowego wytworzonego ferrytu bainitycznego w zakresie 10-80%, korzystnie 20-75% obj.,- stage B: quenching to the temperature of the isothermal stop Tb lying in the range between the temperature Ms (y) + ΔΤ and 350 ° C and holding at this temperature for a specified time tB, to obtain the volume fraction of produced bainitic ferrite in the range of 10-80%, preferably 20-75% vol.,

- etap Q: hartowanie do zadanej temperatury Tq leżącej pomiędzy temperaturą początku Ms(ym) i końca Mf(yr1) przemiany martenzytycznej austenitu (υγι) pozostałego po przemianie bainitycznej i wytrzymanie w tej temperaturze przez czas to, przy czym temperatura Tq i czas to są tak dobrane, aby po tym etapie w mikrostrukturze pozostało co najmniej 10% obj. austenitu resztkowego,- stage Q: hardening to the set temperature Tq lying between the temperature of the beginning Ms (ym) and the end Mf (yr1) of the martensitic transformation of austenite (υγι) remaining after the bainite transformation and holding at this temperature for the time, where the temperature Tq and the time are selected so that after this stage at least 10 vol.% remains in the microstructure. residual austenite,

- etap P: wyżarzanie w temperaturze Tp > To i wytrzymywanie w tej temperaturze przez określony czas Tp pozwalający na dyfuzję węgla i stabilizację austenitu, przy czym temperatura T p i czas tp są tak dobrane, aby zapewnić uzyskanie temperatury początku przemiany martenzytycznej austenitu w końcowej mikrostrukturze Ms(Yr2) mniejszej niż planowana temperatura eksploatacji końcowego wyrobu Te, przy zachowaniu zawartości austenitu szczątkowego w końcowej mikrostrukturze stopu powyżej 10% obj.,- stage P: annealing at temperature Tp> To and withstanding at this temperature for a specified time Tp allowing for carbon diffusion and stabilization of austenite, while the temperature T p and time tp are selected so as to ensure obtaining the temperature of the beginning of the martensitic transformation of austenite in the final microstructure of Ms (Yr2) lower than the planned operating temperature of the final product Te, with the content of residual austenite in the final alloy microstructure above 10% by volume,

PL 234 490 B1PL 234 490 B1

- etap C: chłodzenie.- stage C: cooling.

Korzystnie, etap B prowadzi się z co najmniej jednym przystankiem izotermicznym, przy czym przystanek lub przystanki izotermiczne mieszczą się w zakresie 200°C < Tb < 350°C, korzystniej między 210°C a 300°C.Preferably, step B is performed with at least one isothermal stop, wherein the isothermal stop or stops are in the range of 200 ° C <Tb <350 ° C, more preferably between 210 ° C and 300 ° C.

Korzystnie, etap B prowadzi się w temperaturze malejącej w sposób ciągły w zakresie 200°C < Tb < 350°C, korzystniej między 210°C a 300°C.Preferably, step B is carried out at a continuously decreasing temperature in the range 200 ° C <Tb <350 ° C, more preferably between 210 ° C and 300 ° C.

Korzystnie, w etapie B temperatura Tb leży powyżej temperatury Ms(y) o przedział AT wynoszący co najmniej 10°C, przy czym wartość przedziału AT jest tak dobrana, aby temperatura Tb była większa niż 200°C, korzystniej większa niż 210°C i mniejsza niż 350°C, korzystniej mniejsza niż 300°C.Preferably, in step B, the temperature Tb is above the Ms (y) temperature by an AT interval of at least 10 ° C, the AT interval being selected such that the Tb temperature is greater than 200 ° C, more preferably greater than 210 ° C and less than 350 ° C, more preferably less than 300 ° C.

Korzystnie, temperatura Tp mieści się w zakresie 25-135°C, korzystniej pomiędzy temperaturą pokojową a 35°C.Preferably, the temperature Tp is in the range of 25-135 ° C, more preferably between room temperature and 35 ° C.

Korzystnie, temperatura Tq mieści się w zakresie 200-450°C, korzystniej w zakresie 230-350°C.Preferably, the temperature Tq is in the range 200-450 ° C, more preferably in the range 230-350 ° C.

Korzystnie, stosuje się materiał wyjściowy o łącznej zawartości Si i Al nie większej niż 3,2%, korzystniej w zakresie 1,5-2,2% mas.Preferably, the starting material is used with a total Si and Al content of not more than 3.2%, more preferably in the range 1.5-2.2% by weight.

Korzystnie, stosuje się materiał wyjściowy o zawartości co najmniej 0,5% Si.Preferably, a starting material with a content of at least 0.5% Si is used.

Korzystnie jeśli zawartość Si jest mniejsza niż 0,5%, to łączna zawartość krzemu i aluminium wynosi co najmniej 0,8% mas.Preferably, if the Si content is less than 0.5%, the combined silicon and aluminum content is at least 0.8% by weight.

Materiał wyjściowy powinien zawierać podwyższoną zawartość pierwiastków hamujących wydzielanie węglików, takich jak krzem (Si) i/lub aluminium (Al). Zawartość Si w stopie powinna wynosić co najmniej 0,5% mas. lub jeśli zawartość Si jest mniejsza, to łączna zawartość krzemu i aluminium powinna wynosić co najmniej 0,8% mas. W stalach, w których łączna zawartość (Si+Al) < 1,0% mas. mogą się pojawić wydzielenia cementytu lub innych węglików w trakcie przemiany bainitycznej lub partycjonowania, pogarszając końcowe właściwości mechaniczne stali. Ryzyko to zmniejsza się jeśli spełnione jest kryterium (Si+Al) > 1,0% mas., natomiast jest znikome jeśli (Si+Al) > 1,5%. Trzeba przy tym pamiętać, że krzem hamuje silniej wydzielanie cementytu niż Al. Górna granica zawartości obu tych pierwiastków łącznie nie powinna być większa niż 3,2% mas. Optymalnie stosuje się materiał wyjściowy o zawartości krzemu lub aluminium lub (Si+Al) w zakresie 1,5-2,2% mas.The starting material should contain an increased content of elements inhibiting the precipitation of carbides, such as silicon (Si) and / or aluminum (Al). The content of Si in the alloy should be at least 0.5% by mass. or, if the Si content is lower, the combined silicon and aluminum content should be at least 0.8% by mass. In steels where the total content (Si + Al) <1.0% by mass precipitation of cementite or other carbides may occur during bainite transformation or partitioning, deteriorating the final mechanical properties of the steel. This risk is reduced if the criterion (Si + Al)> 1.0% by weight is met, and it is negligible if (Si + Al)> 1.5%. It should be remembered that silicon inhibits the precipitation of cementite more strongly than Al. The upper limit of the content of both these elements together should not exceed 3.2% by mass. Optimally, the starting material is used with a silicon or aluminum or (Si + Al) content in the range 1.5-2.2% by weight.

Materiał wyjściowy powinien również zawierać dodatki pierwiastków stopowych zwiększających hartowność stali, takich jak np. Mn, Cr, Mo, Ni itp. Zawartość tych pierwiastków powinna być dobrana odpowiednio do zakładanej hartowności, będącej funkcją wielkości obrabianych cieplnie przekrojów elementów stalowych oraz zakładanych celów w obróbce cieplnej, związanych np. z potrzebą osiągnięcia określonej twardości na określonej głębokości hartowanego elementu stalowego.The starting material should also contain additions of alloying elements increasing the hardenability of the steel, such as e.g. Mn, Cr, Mo, Ni, etc. The content of these elements should be selected appropriately to the assumed hardenability, which is a function of the size of heat treated sections of steel elements and the assumed targets in heat treatment , related to e.g. the need to achieve a certain hardness at a certain depth of a hardened steel element.

Stop (stal lub staliwo) może również zawierać dodatki pierwiastków takich jak: Ti, V, Nb lub W. Pierwiastki te tworzą wysokotopliwe węgliki, na których mogą zarodkować płytki bainitu. Dyspersyjne węgliki w ziarnach austenitu przyczyniają się do zwiększenia gęstości miejsc zarodkowania i jednorodności rozmieszczenia płytek bainitu w osnowie austenitycznej, co jest korzystne dla właściwości mechanicznych stopu.The alloy (steel or cast steel) may also contain additions of elements such as: Ti, V, Nb or W. These elements form high-melting carbides on which bainite plates can be nucleated. The dispersion carbides in the austenite grains contribute to the increase of the nucleation site density and the uniformity of the bainite plate distribution in the austenite matrix, which is favorable for the mechanical properties of the alloy.

Zawartość pierwiastków zanieczyszczeń takich jak: P, S, As, Sb, Sn, O itp. powinna być zredukowana, dla uniknięcia segregacji i kruchości między krystalicznej w trakcie obróbki cieplnej, przy czym kryteria zawartości najczęściej występujących zanieczyszczeń są następujące (w % mas.): P < 0,025%, S < 0,025%.The content of the elements of impurities such as: P, S, As, Sb, Sn, O etc. should be reduced to avoid segregation and inter-crystalline brittleness during heat treatment, and the criteria for the content of the most common impurities are as follows (in wt.%) : P <0.025%, S <0.025%.

Sposób według wynalazku w zasadzie nie wymaga materiałów o nadmiernej zawartości drogich pierwiastków stopowych takich, jak Mo, V, Ni, Co, Ti, V, Nb lub W, a ze względów ekonomicznych ich nadmierna zawartość jest niewskazana.The process according to the invention in principle does not require materials with an excessive content of expensive alloying elements such as Mo, V, Ni, Co, Ti, V, Nb or W, and an excessive content thereof is undesirable for economic reasons.

Optymalnie etap B prowadzi się z co najmniej jednym przystankiem izotermicznym, przy czym przystanek lub przystanki izotermiczne mieszczą się w zakresie 200 < Tb < 350°C. Etap (B) może być także prowadzony w temperaturze malejącej w sposób ciągły w podanym zakresie temperatur.Optimally, step B is performed with at least one isothermal stop, wherein the isothermal stop or stops are in the range of 200 < Tb < 350 &lt; 0 &gt; C. Step (B) can also be carried out continuously decreasingly over the temperature range given.

Optymalnie w etapie B temperatura Tb leży powyżej Ms(y) o przedział AT wynoszący co najmniej 10°C, przy czym wartość przedziału AT jest tak dobrana, aby temperatura Tb była większa niż 200°C, korzystnie większa niż 210°C i mniejsza niż 350°C, korzystnie mniejsza niż 300°C.Optimally in step B, the temperature Tb is above Ms (y) by an AT interval of at least 10 ° C, the AT interval being selected such that the temperature Tb is greater than 200 ° C, preferably greater than 210 ° C and less than 350 ° C, preferably less than 300 ° C.

Optymalnie temperatura Tq mieści się w zakresie przemiany martenzytycznej austenitu γη pozostałego po przemianie bainitycznej pomiędzy temperaturą 25°C a temperaturą 135°C, najkorzystniej pomiędzy temperaturą pokojową 35°C.Optimally, the temperature Tq is within the martensitic transformation of the austenite γη remaining after the bainite transformation between a temperature of 25 ° C and a temperature of 135 ° C, most preferably between room temperature of 35 ° C.

Optymalnie temperatura Tp mieści się w zakresie 200-450°C, korzystnie w zakresie 230-350°C.Optimally, the temperature Tp is in the range 200-450 ° C, preferably in the range 230-350 ° C.

Pierwszy etap A, czyli austenityzacja, ma na celu uzyskanie austenitu jako mikrostruktury wyjściowej, w którym w miarę możliwości rozpuszczone są dodatki stopowe dla zapewnienia odpowiedniej hartowności stali. Obecność w austenicie drobnodyspersyjnych węglików prostych lub złożonych takichThe first stage A, i.e. austenitization, is aimed at obtaining austenite as the starting microstructure in which alloying additives are dissolved as far as possible to ensure the appropriate hardenability of the steel. Presence in austenite of simple or complex fine dispersion carbides

PL 234 490 B1 pierwiastków jak: Ti, V, Nb, Cr, Mo lub W jest dopuszczalna a może być nawet korzystna, gdyż wydzielenia te stanowią miejsca zarodkowania płytek bainitu w procesie bainityzacji. Podobną rolę mogą odgrywać drobnodyspersyjne wydzielenia wysokotopliwych azotków pierwiastków takich jak Ti, V, Nb, Al, lub węglikoazotków. Unikać należy natomiast segregacji wydzieleń lub ciągłych warstw węglikowych na granicach ziaren austenitu, gdyż zwiększa to silnie kruchość stali. Parametry temperatury i czasu austenityzacji powinny być odpowiednio dobrane do danej stali, aby uzyskać jednorodny skład chemiczny austenitu lecz nie doprowadzić do nadmiernego rozrostu jego ziaren. Osiągnięcie jednorodności składu chemicznego powinno zapewniać jednakową kinetykę przemian fazowych w różnych obszarach stali, co z kolei przekłada się na uzyskanie jednorodnej mikrostruktury końcowej i jednorodnych właściwości stali po obróbce cieplnej.The composition of elements such as: Ti, V, Nb, Cr, Mo or W is acceptable and may even be advantageous, as these precipitates are sites of nucleation of bainite plaques in the bainitization process. A similar role may be played by the fine-dispersion precipitates of high-melting nitrides of elements such as Ti, V, Nb, Al, or carbonitrides. However, segregation of precipitates or continuous carbide layers at the austenite grain boundaries should be avoided, as it greatly increases the brittleness of the steel. The parameters of temperature and austenitization time should be appropriately selected for a given steel in order to obtain a homogeneous chemical composition of austenite but not to lead to excessive growth of its grains. Achieving homogeneity of the chemical composition should ensure the same kinetics of phase transformations in various areas of the steel, which in turn translates into obtaining a homogeneous final microstructure and homogeneous properties of the steel after heat treatment.

Drugi etap B polega na hartowaniu stali z temperatury austenityzacji z przystankiem izotermicznym w zakresie bainitycznym. Sam proces hartowania prowadzi się tak, aby uniknąć wystąpienia dyfuzyjnej przemiany ferrytycznej lub perlitycznej. Wytwarzane w tych przemianach fazy miękkiego ferrytu i kruchego cementytu pogarszają bowiem końcowe właściwości mechaniczne stali. Dlatego też zapewnia się chłodzenie z szybkością większą od szybkości krytycznej na takiej grubości elementu stalowego, na jakiej ma być wytworzona pożądana mikrostruktura bainityczno-martenzytyczno-austenityczna. W trakcie hartowania z temperatury austenityzacji Ta do temperatury bainityzacji Tb mogą być zastosowane przystanki izotermiczne w temperaturach pośrednich, celem wyrównania temperatury w objętości hartowanego elementu, ale powinny być one tak przeprowadzone, aby uniknąć wytwarzania faz dyfuzyjnych: ferrytu i cementytu. Przystanki pośrednie pozwalają zredukować odkształcenia hartownicze elementów stalowych, zwłaszcza tych o smukłych lub skomplikowanych kształtach.The second stage B consists in hardening the steel from the austenitizing temperature with an isothermal bainitic stop. The quenching process itself is carried out in such a way as to avoid the occurrence of diffusive ferritic or pearlitic transformation. The soft ferrite and brittle cementite phases produced in these transformations deteriorate the final mechanical properties of the steel. Therefore, cooling is provided at a rate greater than the critical rate over the thickness of the steel element at which the desired bainitic-martensitic-austenitic microstructure is to be produced. During quenching from the austenitizing temperature Ta to the bainitizing temperature Tb, isothermal stops at intermediate temperatures can be used to equalize the temperature in the volume of the quenched element, but they should be carried out so as to avoid the production of diffusion phases: ferrite and cementite. Intermediate stops allow to reduce the deformation of hardening steel elements, especially those with slender or complex shapes.

Temperatura przystanku w zakresie bainitycznym Tb powinna być nieco wyższa niż Ms, ale nie większa niż 350°C. Zwiększenie dolnego zakresu temperatury przystanku izotermicznego o wartość AT, czyli do poziomu Ms + AT, ma na celu zapobieżenie wytworzeniu fazy martenzytycznej w trakcie pierwszego hartowania z zakresu austenitu. Temperatura Ms jest bowiem temperaturą średnią dla stopu i lokalnie, w poszczególnych obszarach stali, zwłaszcza staliwa, może przyjmować rożne wartości w zależności od stopnia niejednorodności składu chemicznego austenitu. Z drugiej strony wartość AT zależy od technicznej możliwości stabilizacji temperatury przystanku izotermicznego w piecu. W stalach, w których austenit jest jednorodny chemicznie a urządzenie do obróbki cieplnej pozwala precyzyjnie sterować temperaturą przystanku izotermicznego, można przyjąć, że AT jest małe rzędu 10-15°C, natomiast jeśli lokalne wartości temperatury Ms w stali wykazują duży rozrzut, lub jeśli nie ma możliwości precyzyjnej kontroli temperatury przystanku izotermicznego w różnych miejscach stalowego wsadu w piecu, to wówczas wartość AT może sięgać nawet 50°C. Generalnie, im niższa jest temperatura przystanku izotermicznego tym płytki ferrytu bainitycznego mają mniejszą grubość, co jest korzystne dla końcowej mikrostruktury stopu i jego właściwości mechanicznych. Ze względu jednak na małą szybkość przemiany bainitycznej w niskiej temperaturze (H.K.D.H. Bhadeshia „Bainite in Steels: Theory and Practice”, Maney Publishing, 3rd Edition, 2015), dolna wartość temperatury przystanku izotermicznego nie powinna być mniejsza niż 200°C.The stop temperature in the bainite range Tb should be slightly higher than Ms, but not higher than 350 ° C. Increasing the lower temperature range of the isothermal stop by the AT value, i.e. to the level of Ms + AT, is aimed at preventing the formation of a martensitic phase during the first austenite hardening. The Ms temperature is the average temperature for the alloy and locally, in individual areas of steel, especially cast steel, it may have different values depending on the degree of heterogeneity in the chemical composition of austenite. On the other hand, the value of AT depends on the technical possibility of stabilizing the temperature of the isothermal stop in the furnace. In steels in which austenite is chemically homogeneous and the heat treatment device allows to precisely control the temperature of the isothermal stop, it can be assumed that AT is small, on the order of 10-15 ° C, while if the local values of the Ms temperature in the steel show a large dispersion, or if not has the ability to precisely control the temperature of the isothermal stop in various places of the steel charge in the furnace, then the AT value may even reach 50 ° C. In general, the lower the isothermal stop temperature, the thinner the bainite ferrite plates are, which is favorable for the final alloy microstructure and its mechanical properties. However, due to the low rate of bainite transformation at low temperature (H.K.D.H. Bhadeshia "Bainite in Steels: Theory and Practice", Maney Publishing, 3rd Edition, 2015), the lower value of the isothermal stop temperature should not be less than 200 ° C.

Jeśli temperatura Ms stali jest wysoka, to odpowiednio wyższa będzie temperatura hartowania izotermicznego. Nie powinna ona jednak przekraczać temperatury 350°C. Wynika to z konieczności uniknięcia ryzyka tworzenia wydzieleń cementytu na granicach ferryt bainityczny-austenit. Takie ryzyko może wystąpić w stalach, w których zbyt niska jest zawartość pierwiastków hamujących wydzielanie węglików. Zbyt wysoka temperatura przystanku izotermicznego, powyżej 350°C, powoduje również wzrost wielkości płytek ferrytu bainitycznego powyżej 100 nm, co zmniejsza twardość i parametry wytrzymałościowe stali. Celem zredukowania tego efektu proponuje się zastosowanie dwustopniowego hartowania bainitycznego lub hartowania z ciągłym spadkiem temperatury procesu bainityzacji. Możliwość taką stwarza zjawisko wzbogacania austenitu w węgiel podczas przemiany bainitycznej, co skutkuje ciągłym obniżaniem temperatury Ms austenitu w trakcie procesu. Jeśli początkowo temperatura Ms jest wysoka i temperatura przystanku izotermicznego leży powyżej 300°C, to po pewnym stopniu zaawansowania tej przemiany temperatura Ms spada i wówczas można odpowiednio obniżyć temperaturę procesu bainityzacji do niższych temperatur czyli poniżej 300°C, tak by tworzące się płytki bainitu miały grubości nanometryczne.If the Ms temperature of the steel is high, the isothermal quenching temperature will be correspondingly higher. However, it should not exceed a temperature of 350 ° C. It results from the necessity to avoid the risk of formation of cementite precipitates at the bainite ferrite-austenite boundaries. Such a risk may occur in steels in which the content of elements inhibiting the precipitation of carbides is too low. Too high temperature of the isothermal stop, above 350 ° C, also causes an increase in the size of the bainitic ferrite plates above 100 nm, which reduces the hardness and strength parameters of the steel. In order to reduce this effect, it is proposed to use two-stage bainitic hardening or hardening with a continuous temperature drop of the bainitization process. Such a possibility is created by the phenomenon of austenite enrichment with carbon during the bainite transformation, which results in a continuous reduction of the Ms temperature of austenite during the process. If initially the Ms temperature is high and the temperature of the isothermal stop is above 300 ° C, then after a certain stage of this transformation, the Ms temperature drops and then the temperature of the bainitization process can be appropriately reduced to lower temperatures, i.e. below 300 ° C, so that the bainite plates that form nanometric thicknesses.

W trakcie procesu bainityzacji następuje przyrost gęstości i udziału objętościowego płytek ferrytu bainitycznego oraz wzbogacenie w węgiel pozostałego w stali austenitu. Czas trwania przystanku izotermicznego ma istotne znaczenie dla stopnia zaawansowania tych zjawisk i dla następnego etapu obróbki, a mianowicie niepełnego hartowania (quenching), w trakcie którego wytwarzane są listwy lub igłyDuring the bainitization process, the density and volume fraction of bainitic ferrite plates increase, and the austenite remaining in the steel is enriched with carbon. The duration of the isothermal stop is important for the advancement of these phenomena and for the next stage of processing, i.e. incomplete quenching, during which strips or needles are produced

PL 234 490 B1 martenzytu. Tworzenie płytek ferrytu bainitycznego, które przy niskiej temperaturze procesu mają nanometryczne grubości, prowadzi do intensywnego podziału ziaren austenitu na mniejsze obszary. Odległość pomiędzy płytkami ferrytu bainitycznego będzie determinować długość tworzących się podczas przemiany martenzytycznej płytek, listew lub igieł martenzytu w austenicie resztkowym. Jest to kluczowy aspekt wynalazku, gdyż przemiana martenzytyczna realizowana w niepodzielonych ziarnach austenitu prowadzi do powstania martenzytu gruboziarnistego, o dużej kruchości i małej efektywności procesów partycjonowania węgla. Podział ziaren austenitu płytkami ferrytu bainitycznego pozwala silnie rozdrobnić strukturę martenzytyczną powstającą w trakcie niepełnego hartowania martenzytycznego. Dlatego też czas trwania etapu bainityzacji powinien zapewnić przede wszystkim odpowiednią gęstość płytek i równomierny podział ziaren austenitu przed przemianą martenzytyczną. Udział objętościowy wytworzonego bainitu może zawierać się w znacznych granicach: od około 10% do 80% obj. Im więcej wytworzonego ferrytu bainitycznego tym większa gęstość płytek i mniejsze odległości nimi, a w efekcie drobniejszy martenzyt powstaje w kolejnym etapie. Zbyt mała objętość wytworzonego ferrytu bainitycznego może nie zapewnić odpowiedniej równomierności rozłożenia płytek w mikrostrukturze i pozostawić zbyt duże obszary niepodzielonego austenitu. Z drugiej strony, zbyt duży udział objętościowy ferrytu bainitycznego może doprowadzić do nadmiernej stabilizacji termicznej austenitu resztkowego i spadku temperatury Ms do zakresu temperatury pokojowej lub niższej, co uniemożliwi przeprowadzenie efektywnej przemiany martenzytycznej. Można tu ewentualnie zastosować obróbkę podzerową, ale ta z kolei może zmniejszyć udział objętościowy austenitu w stali poniżej wymaganych 10% obj. Dlatego korzystnie jest, aby udział objętościowy ferrytu bainitycznego mieścił się w zakresie od 20% do 75%. Udział ferrytu bainitycznego, jaki tworzy się w danych warunkach temperatury i czasu, można obliczyć dla danego składu chemicznego stali i dla danej zawartości węgla na podstawie wzorów, lub wyznaczyć przy wykorzystaniu znanych programów komputerowych do symulacji kinetyki przemian fazowych. Bardziej precyzyjne jest jednak wyznaczenie udziału objętościowego ferrytu bainitycznego na podstawie eksperymentalnych pomiarów dylatometrycznych, uzupełnionych przez pomiary składu fazowego po zakończeniu przemiany bainitycznej metodą rentgenowską lub metodą magnetyczną. Przy planowaniu zawartości ferrytu bainitycznego dla procesu według wynalazku uwzględnia się również stopień wzbogacenia w węgiel pozostałego po bainityzacji austenitu resztkowego Ms(ym), co determinuje jego temperaturę początku przemiany martenzytycznej Ms(ym) - parametr kluczowy do zaprojektowania następnego etapu procesu obróbki cieplnej.Of martensite. The formation of bainitic ferrite plates, which are nanometric in thickness at a low process temperature, leads to an intensive division of austenite grains into smaller areas. The distance between the bainite ferrite plates will determine the length of the plates, strips or needles of martensite formed in the residual austenite during the martensitic transformation. This is a key aspect of the invention, as the martensitic transformation carried out in the undivided austenite grains leads to the formation of coarse-grained martensite with high brittleness and low efficiency of the coal partitioning processes. The division of the austenite grains with bainitic ferrite plates allows for a fine grinding of the martensitic structure formed during incomplete martensitic quenching. Therefore, the duration of the bainitization step should ensure, first of all, the appropriate density of the plates and the uniform division of austenite grains before the martensitic transformation. The volume fraction of the bainite produced may be within considerable limits: from about 10% to 80% by volume. The more bainite ferrite produced, the greater the density of the plates and the smaller the distance between them, and as a result, finer martensite is formed in the next stage. Too small volume of bainitic ferrite produced may not ensure adequate uniformity of the plates in the microstructure and leave too large areas of undivided austenite. On the other hand, too high a volume fraction of bainitic ferrite may lead to excessive thermal stabilization of the residual austenite and a drop in the Ms temperature to the room temperature range or lower, which will make it impossible to carry out an effective martensitic transformation. Optionally, a sub-zero treatment may be used, but this in turn may reduce the austenite volume fraction of the steel below the required 10 vol.%. Therefore, it is preferable that the volume fraction of the bainite ferrite is in the range of 20% to 75%. The share of bainitic ferrite, which is formed under given temperature and time conditions, can be calculated for a given chemical composition of the steel and for a given carbon content on the basis of formulas, or it can be determined using known computer programs to simulate the kinetics of phase transformations. However, it is more precise to determine the volume fraction of bainitic ferrite on the basis of experimental dilatometric measurements, supplemented by measurements of the phase composition after the completion of the bainite transformation using the X-ray method or the magnetic method. When planning the bainitic ferrite content for the process according to the invention, the degree of carbon enrichment remaining after bainitization of the residual austenite Ms (µm) is also taken into account, which determines its martensitic transformation start temperature Ms (µm) - a key parameter for designing the next stage of the heat treatment process.

Trzeci etap Q, czyli proces niepełnego hartowania, polega na schłodzeniu stali do temperatury Tq leżącej pomiędzy temperaturą początku przemiany martenzytycznej Ms(ym), jaką ma austenit szczątkowy (υγι) po bainityzacji, a temperaturą końca przemiany martenzytycznej austenitu resztkowego Mf(yr1). Wartość temperatury Tq powinna być tak dobrana, aby po hartowaniu do tej temperatury w stali pozostało co najmniej 10% austenitu resztkowego. Ilość powstającego martenzytu można wyznaczyć na podstawie równania Koistinen'a i Marburger'a (Acta Metall. 7 (1959) 59-60) lub przy wykorzystaniu programów do komputerowej symulacji przemian fazowych w stalach. Dzięki wstępnemu podzieleniu pierwotnych ziaren austenitu przez wiązki bainitu powstający martenzyt ma ograniczone miejsce do wzrostu, dzięki czemu uzyskuje się kontrolę nad wielkością jego igieł. Praktycznym rozwiązaniem będzie zastosowanie temperatury Tq większej lub równej temperaturze pokojowej, ale w razie zbyt niskiej temperatury Ms(ym), lub jeśli planuje się wytworzyć więcej martenzytu, można zastosować obróbkę podzerową. Czas wytrzymania stali w temperaturze Tq jest podyktowany względami praktycznymi i zależy od wielkości obrabianych elementów, wielkości wsadu w piecu oraz szybkości odprowadzania ciepła przez ośrodek chłodzący. Czas ten powinien zapewnić osiągnięcie temperatury Tq i wyrównanie tej temperatury na przekroju obrabianych cieplnie elementów. Austenit pozostały po etapie niepełnego hartowania do temperatury Tq większej niż temperatura pokojowa pozostaje niestabilny, tzn. może ulec przemianie martenzytycznej, jeśli stal zostałaby od razu schłodzona do temperatury pokojowej. Dla ustabilizowania pozostałego austenitu, czyli obniżenia temperatury początku przemiany martenzytycznej Ms poniżej temperatury pokojowej, konieczne jest przeprowadzenie procesu partycjonowania węgla. Proces ten ważny jest z jeszcze jednego powodu - otóż powstały w trakcie niepełnego hartowania martenzyt jest przesycony węglem, a przez to jest twardy ale kruchy.The third stage Q, i.e. the incomplete quenching process, consists in cooling the steel to the temperature Tq lying between the starting temperature of the martensitic transformation Ms (ym) of the residual austenite (υγι) after bainitization, and the end temperature of the martensitic transformation of the residual austenite Mf (yr1). The value of the Tq temperature should be selected so that at least 10% of residual austenite remains in the steel after hardening to this temperature. The amount of martensite formed can be determined on the basis of the Koistinen and Marburger equation (Acta Metall. 7 (1959) 59-60) or using software for computer simulation of phase changes in steels. Due to the preliminary division of the primary austenite grains by bainite bundles, the resulting martensite has a limited space for growth, thus controlling the size of its needles. A practical solution would be to use a temperature Tq greater than or equal to room temperature, but if the Ms (µm) temperature is too low, or if more martensite is to be produced, a subzero treatment may be used. The holding time of steel at the temperature Tq is dictated by practical considerations and depends on the size of the workpieces, the size of the charge in the furnace and the rate of heat dissipation by the cooling medium. This time should ensure that the temperature Tq is reached and that this temperature is equalized across the cross section of the heat treated elements. Austenite remaining after the incomplete quenching step to a temperature Tq greater than room temperature remains unstable, ie it may undergo martensitic transformation if the steel were immediately cooled to room temperature. In order to stabilize the remaining austenite, i.e. lower the temperature of the beginning of the martensitic transformation Ms below room temperature, it is necessary to carry out the process of coal partitioning. This process is important for one more reason - martensite formed during incomplete quenching is saturated with carbon, and therefore it is hard but brittle.

Czwarty etap P - partycjonowanie węgla polega na wyżarzeniu stali w temperaturze, w której zachodzi intensywna dyfuzja węgla z martenzytu powstałego w procesie niepełnego hartowania (etap Q) do austenitu szczątkowego (υγ2). Celem tego etapu jest zmniejszenie przesycenia węglem martenzytu, co zmniejsza jego kruchość. Ponadto chodzi o ustabilizowanie austenitu pozostałego po procesach bainityzacji (etapThe fourth stage P - coal partitioning consists in annealing the steel at a temperature at which there is intense diffusion of carbon from the martensite formed in the process of incomplete quenching (stage Q) to the residual austenite (υγ2). The purpose of this step is to reduce the martensite carbon supersaturation, which reduces its brittleness. In addition, it is about stabilizing austenite remaining after bainitization processes (step

PL 234 490 B1PL 234 490 B1

B) i niepełnego hartowania (etap Q). Wskutek tego procesu następuje dalsze obniżenie temperatury początku przemiany martenzytycznej Ms(yr2). Korzystne jest, jeśli wartość temperatury Ms(yr2) na końcu procesu będzie mniejsza od temperatury pokojowej, lub w przypadku elementu eksploatowanego poniżej temperatury pokojowej, wartość Ms(yr2) będzie mniejsza od najniższej temperatury Te - eksploatacji elementu stalowego. Pozwala to zapobiec niekontrolowanej przemianie martenzytycznej austenitu podczas końcowego chłodzenia elementu stalowego do temperatury pokojowej lub do temperatury eksploatacji, jeśli leży ona poniżej temperatury pokojowej. Czas i temperatura partycjonowania powinny być tak dobrane, aby skutecznie osiągnąć spadek przesycenia węglem martenzytu i stabilizację austenitu szczątkowego, i jednocześnie nie spowodować wydzielania cementytu lub innych węglików stopowych. Zazwyczaj temperatura procesu Tp > Tq i mieści się w zakresie 200-450°C, korzystnie w zakresie 230-350°C. Proces partycjonowania można przeprowadzić w temperaturze Tq, jeśli jest ona dostatecznie wysoka do zapewnienia skutecznego partycjonowania węgla. Czas trwania partycjonowania zależy ściśle od temperatury i ilości wytworzonych w poprzednich etapach ferrytu bainitycznego i martenzytu. Im mniejsza objętość faz bainitu i martenzytu tym dłuższy powinien być etap partycjonowania, aby zapewnić jednorodne wzbogacenie w węgiel całej objętości fazy austenitu powodując jego stabilizację.B) and incomplete hardening (stage Q). As a result of this process, the temperature of the onset of the martensitic transformation Ms (yr2) is further reduced. Preferably, the Ms (yr2) temperature value at the end of the process will be lower than room temperature, or in the case of the element operated below room temperature, the Ms (yr2) value will be lower than the lowest operating temperature Te of the steel element. This avoids uncontrolled martensitic transformation of austenite during the final cooling of the steel element to room temperature or to service temperature if it is below room temperature. The partitioning time and temperature should be selected so as to effectively achieve a decrease in martensite carbon supersaturation and stabilization of the residual austenite, while not causing the precipitation of cementite or other alloy carbides. Typically, the process temperature Tp> Tq and is in the range 200-450 ° C, preferably in the range 230-350 ° C. The partitioning process may be performed at Tq if it is high enough to ensure efficient coal partitioning. The duration of partitioning is strictly dependent on the temperature and the amount of bainite ferrite and martensite formed in the previous steps. The smaller the volume of the bainite and martensite phases, the longer the partitioning step should be to ensure homogeneous carbon enrichment of the entire volume of the austenite phase, thus stabilizing it.

Za pomocą równań empirycznych lub symulacji komputerowych przy użyciu znanych specjalistom programów, można określić temperaturę początku przemiany martenzytycznej austenitu w funkcji zawartości węgla i na tej podstawie określić minimalną zawartość węgla, do jakiej musi zostać wzbogacony austenit, aby nie ulegał on przemianie przy końcowym chłodzeniu - tj. około 1,2% C. Dla każdego składu chemicznego stali długość czasu partycjonowania w obróbce sposobem według wynalazku powinna być dobierana doświadczalnie, ze względu na brak możliwości dokładnej symulacji dyfuzji węgla w układach wieloskładnikowych.By means of empirical equations or computer simulations using programs known to specialists, it is possible to determine the temperature of the onset of the martensitic transformation of austenite as a function of the carbon content and on this basis to determine the minimum carbon content to which austenite must be enriched, so that it does not undergo transformation during the final cooling - i.e. 1.2% C. For each chemical composition of the steel, the length of the partitioning time in the treatment according to the invention should be selected experimentally, due to the lack of the possibility of an accurate simulation of carbon diffusion in multicomponent systems.

W trakcie całego procesu temperatura początku przemiany martenzytycznej austenitu zmienia się zgodnie z regułą:During the whole process, the temperature of the beginning of the martensitic transformation of austenite changes according to the rule:

Ms(y) > Ms(yri) > Ms(yr2) oraz Ms(yr2) <Te gdzie: Ms(y) - temperatura początku przemiany martenzytycznej austenitu (γ) po austenityzacji (etap A), Msfyri) - temperatura początku przemiany martenzytycznej austenitu (γη) pozostałego po bainityzacji (etap B), Msfyr2) - temperatura początku przemiany martenzytycznej austenitu (γι-2) pozostałego po niepełnym hartowaniu i partycjonowaniu (etap P), zaś T e - temperatura eksploatacji elementu stalowego. Istotne jest, aby austenit po obróbce sposobem według wynalazku miał temperaturę początku przemiany martenzytycznej odpowiednio niższą niż planowana temperatura eksploatacji elementu stalowego, jeśli element będzie narażony na eksploatację poniżej temperatury pokojowej.Ms (y)> Ms (yri)> Ms (yr2) and Ms (yr2) <Te where: Ms (y) - martensitic transformation start temperature (γ) after austenitization (stage A), Msfyri) - martensitic transformation start temperature austenite (γη) remaining after bainitization (stage B), Msfyr2) - the temperature of the beginning of the martensitic transformation of austenite (γι-2) remaining after incomplete quenching and partitioning (stage P), and T e - the operating temperature of the steel element. It is essential that the austenite after the treatment according to the invention has a martensitic start temperature correspondingly lower than the intended service temperature of the steel element, if the element is to be operated below room temperature.

Poszczególne figury rysunku przedstawiają:The individual figures of the drawing show:

Fig. 1 - schemat etapów procesu według wynalazku,Fig. 1 - a diagram of the steps of the process according to the invention,

Fig. 2 - przebieg obróbki cieplnej według wynalazku na schematycznym wykresie kinetyki przemian fazowych przy wyżarzaniu izotermicznym (Czas-Temperatura-Przemiana CTPi) oraz zmiany temperatury Ms w poszczególnych etapach obróbki cieplnej,Fig. 2 - the course of the heat treatment according to the invention in a schematic diagram of the kinetics of phase changes in isothermal annealing (Time-Temperature-CTPi transformation) and changes in the Ms temperature at individual stages of heat treatment,

Fig. 3 - schemat mikrostruktury ziarna austenitu po austenityzacji (etap A),Fig. 3 - a diagram of the microstructure of austenite grain after austenitization (stage A),

Fig. 4 - schemat mikrostruktury pierwotnego ziarna austenitu z płytkami ferrytu bainitycznego po etapie bainityzacji (etap B), zaśFig. 4 - a diagram of the microstructure of the primary austenite grain with bainitic ferrite plates after the bainitization step (step B), while

Fig. 5 - schemat mikrostruktury pierwotnego ziarna austenitu z płytkami ferrytu bainitycznego i martenzytu po etapie bainityzacji (etap B) i niepełnym hartowaniu (etap Q).Fig. 5 is a diagram of the microstructure of primary austenite grain with bainitic ferrite and martensite plates after bainitization step (step B) and incomplete quenching (step Q).

Sposób obróbki cieplnej według wynalazku pozwala na wytworzenie silnie rozdrobnionej, wielofazowej mikrostruktury stopu, zawierającej odpowiednie proporcje twardych składników takich jak ferryt bainityczny i martenzyt, które umacniają stop, oraz odpowiedniego udziału plastycznego austenitu resztkowego, zapewniającego plastyczną relaksację naprężeń powstających w trakcie obciążania lub eksploatacji pod obciążeniem elementu stalowego lub staliwnego. Rozdrobnienie mikrostruktury polega na ograniczeniu wielkości tworzących się w trakcie przemian fazowych wydzieleń składników fazowych - ferrytu bainitycznego i martenzytu, oraz ich równomiernym rozmieszczenia w mikrostrukturze, tak aby również pozostały w mikrostrukturze końcowej austenit resztkowy był równomiernie rozdrobniony.The method of heat treatment according to the invention allows for the production of a finely divided, multi-phase microstructure of the alloy, containing the appropriate proportions of hard components such as bainite ferrite and martensite, which strengthen the alloy, and an appropriate proportion of residual plastic austenite, ensuring plastic relaxation of stresses arising during loading or operation under load steel or cast steel element. The fragmentation of the microstructure consists in limiting the size of the precipitations of phase components - bainitic ferrite and martensite, formed during phase transformations, and their even distribution in the microstructure, so that the residual austenite remaining in the final microstructure is evenly fragmented.

Sposób obróbki cieplnej według wynalazku nadaje się do nisko- lub średniostopowych stopów Fe (stali lub staliwa), w których występuje przemiana bainityczna, przy czym skład chemiczny stopu powinien zapewniać temperaturę początku przemiany martenzytycznej Ms wyższą niż 130°C i niższą od 350°C. Stop powinien zawierać również podwyższoną zawartość krzemu (Si) i/lub aluminium (Al) hamujących wydzielanie węglików. Pomimo tego ograniczenia istnieje możliwość wyselekcjonowania wielu gatunków stali handlowych nadających się do zastosowania w obróbce cieplnej według wynalazkuThe heat treatment method according to the invention is suitable for low or medium alloy Fe alloys (steel or cast steel) in which bainitic transformation occurs, the alloy chemical composition should ensure the martensitic transformation initiation temperature Ms higher than 130 ° C and lower than 350 ° C. The alloy should also contain an increased content of silicon (Si) and / or aluminum (Al) that inhibit the precipitation of carbides. Despite this limitation, it is possible to select many commercial steels suitable for the heat treatment according to the invention

PL 234 490 B1 lub można odpowiednio zaprojektować nowe stale. Opisany tu proces B-Q&P może być również stosowany do obróbki cieplnej wszystkich żeliw ADI (Austempered Ductile Iron). Z powyższych względów proces B-Q&P ma szerokie pole zastosowań do obróbki cieplnej zarówno stali, jak i staliwa lub żeliwa ADI.Or new steels can be designed accordingly. The B-Q&P process described herein can also be used for the heat treatment of all ADI (Austempered Ductile Iron). For the above reasons, the B-Q & P process has a wide field of application for heat treatment of both steel and cast steel or ADI cast iron.

Dzięki przerwaniu przemiany bainitycznej w trakcie bainityzacji poprzez hartowanie do niższej temperatury i wytworzenie martenzytu znacząco skraca się czas całej obróbki cieplnej, w porównaniu do procesu nanobainityzacji opisanego w patentach EP2410070A1, W02010013054A2, US 2011 0126946 A1 oraz PL218480B1. Maksymalny czas trwania całego procesu obróbki cieplnej według wynalazku z reguły nie przekracza 8 h, a w większości przypadków zamyka się w czasie 2-3 godzin. Tym samym obróbka według wynalazku wymaga znacznie krótszego czasu do jej realizacji w porównaniu do czasu trwania procesu wytwarzania bainitu nanokrystalicznego (tzw. nanobainitu) na drodze hartowania z przystankiem izotermicznym.Due to the interruption of the bainitization during bainitization by quenching to a lower temperature and the formation of martensite, the time of the entire heat treatment is significantly reduced compared to the nanobainitization process described in patents EP2410070A1, W02010013054A2, US 2011 0126946 A1 and PL218480B1. The maximum duration of the entire heat treatment process according to the invention generally does not exceed 8 hours, and in most cases is completed within 2-3 hours. Thus, the treatment according to the invention requires a much shorter time for its implementation compared to the duration of the process of producing nanocrystalline bainite (so-called nanobainite) by quenching with an isothermal stop.

Jednocześnie obróbka zapewnia mniejsze odkształcenia hartownicze obrabianego elementu stalowego w porównaniu do konwencjonalnej obróbki hartowania martenzytycznego i odpuszczania.At the same time, the treatment provides less hardening deformation of the steel workpiece compared to conventional martensitic hardening and tempering treatments.

Na podstawie obliczeń, symulacji komputerowych lub badań eksperymentalnych można dla każdej stali obliczyć parametry temperatury i czasu trwania danego etapu, celem uzyskania określonego udziału objętościowego danej fazy. Pozwala to na precyzyjne zaplanowanie i wytworzenie określonych udziałów objętościowych poszczególnych składników stopowych w mikrostrukturze końcowej. Można też zaplanować i osiągnąć stopień rozdrobnienia poszczególnych składników fazowych oraz uzyskać określoną stabilność austenitu szczątkowego mierzoną poprzez temperaturę Ms. Dzięki temu możliwa jest pełna kontrola składu fazowego końcowej mikrostruktury stopu. Ponieważ końcowe właściwości mechaniczne stopu zależą bezpośrednio od udziału poszczególnych faz i mikrostruktury, obróbka według wynalazku zapewnia pełną kontrolę właściwości mechanicznych materiału.On the basis of calculations, computer simulations or experimental tests, it is possible to calculate the temperature and duration parameters of a given stage for each steel in order to obtain a specific volume fraction of a given phase. This allows for precise planning and production of specific volume fractions of individual alloy components in the final microstructure. It is also possible to plan and achieve the degree of fragmentation of individual phase components and obtain a specific stability of the retained austenite measured by the Ms temperature. As a result, it is possible to fully control the phase composition of the final alloy microstructure. Since the final mechanical properties of the alloy are directly dependent on the proportion of individual phases and the microstructure, the treatment according to the invention provides full control of the mechanical properties of the material.

Odmiennie niż w konwencjonalnych obróbkach hartowania martenzytycznego i odpuszczania, obróbka według wynalazku łączy sprzeczne właściwości mechaniczne uzyskanego produktu, a mianowicie dużą twardość i wytrzymałość z ciągliwością i odpornością na pękanie. Z tego względu stopy po obróbce mogą zastąpić stosowane dotychczas materiały w wielu wymagających aplikacjach, w których wymagane jest połączenie tych sprzecznych właściwości. Duża wytrzymałość sprawia, że obrobione w ten sposób stale i staliwa mogą być stosowane na silnie obciążone elementy maszyn i konstrukcji, zapewniając mniejsze przekroje elementów konstrukcyjnych i mniejszy ciężar. Zmniejszenie ciężaru konstrukcji jest istotnym wymogiem w przypadku pojazdów, samolotów, statków oraz urządzeń zasilanych w eksploatacji energią, gdyż skutkuje to oszczędnością energii przy takiej samej sprawności tych urządzeń.Unlike conventional martensitic hardening and tempering treatments, the treatment according to the invention combines the contradictory mechanical properties of the resulting product, namely high hardness and strength, with ductility and fracture toughness. Thus, treated alloys can replace the materials used so far in many demanding applications where a combination of these conflicting properties is required. Due to their high strength, steels and cast steels treated in this way can be used for heavily loaded elements of machines and structures, ensuring smaller sections of structural elements and lower weight. Reducing the weight of the structure is an essential requirement for vehicles, airplanes, ships and equipment powered in operation, as it results in energy savings with the same efficiency of these devices.

Obróbka według wynalazku może być stosowana w produkcji wszelkiego rodzaju stalowych lub staliwnych narzędzi lub silnie obciążonych elementów maszyn i konstrukcji, które narażone są na pękanie. Obróbka taka zapewnia dłuższą żywotność, zwiększa okres bezawaryjnej eksploatacji narzędzi, maszyn i konstrukcji wykonanych z tak obrobionych stali lub staliwa.The treatment according to the invention can be used in the production of all kinds of steel or cast steel tools or heavily loaded elements of machines and structures, which are exposed to cracking. Such treatment ensures longer life, increases the period of failure-free operation of tools, machines and structures made of steel or cast steel processed in this way.

Przy odpowiednio dużej zawartości austenitu szczątkowego stal lub staliwo po tej obróbce może wykazywać efekt TRIP (TRansformation Induced Plasticity), czyli plastyczności indukowanej przemianą, co dodatkowo rozszerza jej zastosowanie np. na elementy wzmocnienia konstrukcji pojazdów samochodowych, zapewniających większy poziom bezpieczeństwa pasażerom. Stale wykazujące efekt TRIP są zdolne do pochłaniania części energii mechanicznej poprzez zachodzącą przemianę austenitu szczątkowego w martenzyt.With a sufficiently high content of residual austenite, the steel or cast steel after this treatment may exhibit the TRIP (TRansformation Induced Plasticity) effect, i.e. transformation-induced plasticity, which further extends its use, for example, to reinforce vehicle structures, ensuring a greater level of safety for passengers. Steels showing the TRIP effect are capable of absorbing some of the mechanical energy through the transformation of the retained austenite into martensite.

Podsumowując, obróbka według wynalazku może być stosowana w produkcji wszelkiego rodzaju wyrobów stalowych lub staliwnych, w szczególności przy wytwarzaniu:In summary, the treatment according to the invention can be used in the production of all kinds of steel or cast steel products, in particular in the production of:

- narzędzi, np. stempli, narzędzi do tłoczenia i do przeróbki plastycznej na zimno, narzędzi budowlanych i rolniczych,- tools, e.g. punches, stamping and cold forming tools, construction and agricultural tools,

- silnie obciążonych elementów maszyn górniczych, rolniczych, budowlanych, np. przekładni, kół zębatych,- heavily loaded elements of mining, agricultural and construction machines, e.g. gears, gears,

- elementów konstrukcji urządzeń energetycznych, np. wałów, turbin,- construction elements of energy devices, e.g. shafts, turbines,

- silnie obciążonych elementów konstrukcji pojazdów samochodowych, np. sworzni, elementów zawieszenia, wzmocnienia karoserii,- highly loaded elements of motor vehicle structures, e.g. pins, suspension elements, body reinforcement,

- obciążonych części konstrukcji statków, samolotów, helikopterów,- loaded structures of ships, airplanes and helicopters,

- elementów taboru kolejowego,- rolling stock components,

- elementów złącznych, jak np. śruby, łapki sprężyste do mocowania szyn do podkładów,- fasteners, such as screws, spring clips for fixing the rails to sleepers,

- części uzbrojenia i pancerzy.- parts of weapons and armor.

PL 234 490 Β1PL 234 490 Β1

Przedmiot i korzystne skutki wynalazku zostały bliżej opisane w poniższych przykładach.The subject matter and beneficial effects of the invention are described in more detail in the following examples.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Realizację procesu obróbki cieplnej typu B-Q&P przeprowadzono dla stali sprężynowej 65SiWMn7-4-3 o składzie chemicznym podanym w tabeli 1. Stal ta została wyselekcjonowana do tego typu obróbki na podstawie jej składu chemicznego, który zapewnia wartość temperatury Ms mieszczącą się w wymaganym zakresie temperatur oraz odpowiedni wykres kinetyki przemian fazowych (CTPi). Wykres ten potwierdza obecność przemiany bainitycznej a także odpowiednią hartowność, umożliwiającą uniknięcie przemian dyfuzyjnych w rdzeniu próbek do testów mechanicznych w trakcie hartowania z temperatury austenityzacji do zakresu przemiany bainityczej.The B-Q & P type heat treatment process was carried out for the 65SiWMn7-4-3 spring steel with the chemical composition given in Table 1. This steel was selected for this type of treatment based on its chemical composition, which ensures the Ms temperature value within the required temperature range and the corresponding phase change kinetics (CTPi) plot. This diagram confirms the presence of the bainite transformation as well as the appropriate hardenability, enabling the avoidance of diffusion changes in the core of samples for mechanical tests during hardening from the austenitization temperature to the bainite transformation range.

Tabela 1. Skład chemiczny stali sprężynowej 65SiWMn 7-4-3 wg analizy chemicznejTable 1. Chemical composition of spring steel 65SiWMn 7-4-3 according to chemical analysis

Gatunek stali Steel grade 65SiWMn 7-4-3 65SiWMn 7-4-3 Pierwiastek stopowy Alloying element C C. Mn Me Si Si Cr Cr Mo Mo W IN Ni Ni Cu Cu P P. S S. Zawartość pierwiastka w % mas. Element content in wt.% 0,63 0.63 0,82 0.82 1,58 1.58 0,20 0.20 0,01 0.01 0,88 0.88 0,03 0.03 0,07 0.07 0,020 0.020 0,010 0.010

W pierwszym etapie projektowania obróbki na podstawie badań dylatometrycznych oraz symulacji komputerowych wyznaczono następujące parametry:In the first stage of machining design, the following parameters were determined on the basis of dilatometric tests and computer simulations:

- Temperaturę Ms(y) po austenityzacji- The Ms (y) temperature after austenitization

- Czas inkubacji do początku przemiany bainitycznej- Incubation time until the beginning of the bainite transformation

- Kinetykę przemiany bainitycznej - oznaczając czas niezbędny do uzyskania danego zaawansowania przemiany bainitycznej- Kinetics of the bainite transformation - denoting the time necessary to achieve a given advancement of the bainite transformation

- Nową temperaturę Ms po przerwaniu przemiany bainitycznej Ms(yi)- New Ms temperature after breaking the bainite transformation Ms (yi)

- Czas etapu partycjonowania pozwalający na stabilizację austenitu.- Time of the partitioning step allowing the austenite to stabilize.

Jako parametry austenityzacji przyjęto temperaturę Ta= 930°C i czas tA = 30 min. Austenityzacja przy takich parametrach pozwala na rozpuszczenie większości węglików, przy czym węgliki wolframu zostały rozpuszczone tylko częściowo, i równomierną dystrybucję węgla w austenicie. Na podstawie badań dylatometrycznych określono temperaturę początku przemiany martenzytycznej po austenityzacji Ms(y) = 230°C. Przyjmując wartość AT=15°C ustalono temperaturę hartowania izotermicznego w procesie bainityzacji Tb = 245°C. Hartowanie izotermiczne przeprowadzono w gorącym oleju nagrzanym do temperatury 245°C. Olej zapewnił wystarczającą prędkość hartowania izotermicznego z temperatury austenityzacji próbek do testów mechanicznych, by uniknąć wytworzenia perlitu lub bainitu górnego, co mogłoby obniżyć końcowe właściwości mechaniczne. Badania przeprowadzono dla różnych czasów te trwania przystanku izotermicznego, celem uzyskania różnych stopni zaawansowania przemiany bainitycznej (tabela 2).The austenitization parameters were the temperature Ta = 930 ° C and the time tA = 30 min. Austenitization at these parameters allows the dissolution of most carbides, with the tungsten carbides being only partially dissolved, and uniform distribution of the carbon in the austenite. On the basis of dilatometric tests, the temperature of the onset of the martensitic transformation after austenitization Ms (y) = 230 ° C was determined. Assuming the value of AT = 15 ° C, the isothermal quenching temperature in the bainitization process was established Tb = 245 ° C. Isothermal quenching was performed in hot oil heated to 245 ° C. The oil provided sufficient isothermal quenching speed from the austenitizing temperature of the mechanical test specimens to avoid the formation of pearlite or top bainite, which would lower the final mechanical properties. The research was carried out for different durations of the isothermal stop in order to obtain different degrees of advancement of the bainite transformation (Table 2).

PL 234 490 Β1PL 234 490 Β1

Tabela 2. Kinematyka przemiany bainitycznej w temperaturze 245°C wraz ze zmianą temperatury Ms(yr) w funkcji czasu wyżarzaniaTable 2. Kinematics of the bainite transformation at 245 ° C with the change of temperature Ms (yr) as a function of the annealing time

Proces bainityzacji Tb [°C] - tB [min] Tb bainitization process [° C] - tB [min] Stopień zaawansowania przemiany bainitycznej [%] The degree of advancement of the bainite transformation [%] Temperatura Ms(y_ri) po przerwaniu przemiany bainitycznej [°C]Temperature Ms (y _r i) after stopping the bainite transformation [° C] B: 245°C - 17 min B: 245 ° C - 17 min 30 thirty 166 166 B: 245°C - 20 min B: 245 ° C - 20 min 40 40 140 140 B: 245°C - 25 min B: 245 ° C - 25 min 50 50 90 90 B: 245°C- 33 min B: 245 ° C- 33 min 60 60 55 55 B: 245°C - 44 min B: 245 ° C - 44 min 70 70 poniżej 25°C below 25 ° C B: 245 °C- 1440 min (24h) B: 245 ° C- 1440 min (24h) 100 100 poniżej 25°C below 25 ° C

Temperaturę niepełnego hartowania Ta dobrano tak, aby wytworzyć określoną zawartość martenzytu. Należy uwzględnić spadek temperatury Ms wraz ze zwiększającą się ilością węgla w austenicie w etapie bainityzacji, gdyż martenzyt wytworzy się jeśli temperatura Ta będzie mniejsza od temperatury początku przemiany martenzytycznej Ms(yi) austenitu pozostałego po procesie bainityzacji (etap B). W zależności od wielkości przechłodzenia pomiędzy temperaturami Ms(yi) i To można sterować ilością powstającego w strukturze martenzytu, a przez co także austenitu pozostałego w mikrostrukturze końcowej.The incomplete quenching temperature Ta was chosen to produce a specific martensite content. The decrease in the Ms temperature should be taken into account along with the increasing amount of carbon in the austenite in the bainitization stage, because martensite will be produced if the temperature Ta is lower than the temperature of the beginning of the martensitic transformation Ms (yi) of the austenite remaining after the bainitization process (stage B). Depending on the amount of subcooling between the temperatures Ms (yi) and To, the amount of martensite formed in the structure and thus also austenite remaining in the final microstructure can be controlled.

Czas i temperatura partycjonowania uwarunkowane są odpowiednim wzbogaceniem austenitu w węgiel. Istotną rolę odgrywają tu pierwiastki stopowe hamujące wydzielanie węglików, dzięki czemu cały dyfundujący węgiel w warunkach para-równowagi jest rozdystrybuowany w austenicie, i podczas końcowego chłodzenia do temperatury pokojowej nie obserwuje się przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt. Wystąpienie takiej przemiany spowodowałaby pojawienie się silnie przesyconego węglem martenzytu w końcowej mikrostrukturze stali, co mogłoby doprowadzić do znacznego spadku udarności i plastyczności wyrobu.Partitioning time and temperature depend on the proper carbon enrichment of the austenite. The alloying elements that inhibit the precipitation of carbides play an important role here, thanks to which all diffusible carbon under para-equilibrium conditions is distributed in the austenite, and no transformation of residual austenite to martensite is observed during the final cooling to room temperature. The occurrence of such a transformation would cause the appearance of martensite highly saturated with carbon in the final microstructure of the steel, which could lead to a significant decrease in impact strength and plasticity of the product.

Podczas realizacji zdecydowano się na przeprowadzenie etapu partycjonowania w takiej samej temperaturze jak hartowania izotermicznego, czyli 245°C, celem ułatwienia procesu. Dostosowano także czas partycjonowania wykonując uprzednio próby dylatometryczne.During the implementation, it was decided to carry out the partitioning step at the same temperature as isothermal quenching, i.e. 245 ° C, to facilitate the process. The partitioning time was also adjusted by performing dilatometric tests beforehand.

Obróbkę cieplną przeprowadzono dla czterech różnych wariantów różniących się czasem te i/lub temperaturą To a także czasem tp. Chodziło o wytworzenie różnych proporcji bainitu, martenzytu i austenitu szczątkowego w końcowym składzie fazowym:The heat treatment was performed for four different variants differing in te time and / or temperature To and also in time tp. The idea was to produce different proportions of bainite, martensite and residual austenite in the final phase composition:

Wariant B-Q&P 1Variant B-Q & P 1

- Austenityzacja w temperaturze Ta = 930°C przez czas tA = 30 min- Austenitization at Ta = 930 ° C for tA = 30 min

- Hartowanie do temperatury Tb = 245°C- Hardening to the temperature Tb = 245 ° C

- Wytrzymanie w temperaturze Tb = 245°C przez te = 17 min- Holding at Tb = 245 ° C for te = 17 min

- Hartowanie do temperatury To = 25°C- Hardening to a temperature of To = 25 ° C

- Partycjonowanie w temperaturze Tp = 245°C przez czas tp = 4 min- Partitioning at Tp = 245 ° C for tp = 4 min

- Chłodzenie do temperatury pokojowej- Cooling down to room temperature

Wariant B-Q&P 2Variant B-Q & P 2

- Austenityzacja w temperaturze Ta = 930°C przez czas tA = 30 min- Austenitization at Ta = 930 ° C for tA = 30 min

- Hartowanie do temperatury Tb = 245°C- Hardening to the temperature Tb = 245 ° C

- Wytrzymanie w temperaturze Tb = 245°C przez te = 25 min- Holding at Tb = 245 ° C for te = 25 min

- Hartowanie do temperatury To = 25°C- Hardening to a temperature of To = 25 ° C

- Partycjonowanie w temperaturze Tp = 245°C przez czas tp = 4 min- Partitioning at Tp = 245 ° C for tp = 4 min

- Chłodzenie do temperatury pokojowej- Cooling down to room temperature

Wariant B-Q&P 3Variant B-Q & P 3

- Austenityzacja w temperaturze Ta = 930°C przez czas tA = 30 min- Austenitization at Ta = 930 ° C for tA = 30 min

- Hartowanie do temperatury Tb = 245°C- Hardening to the temperature Tb = 245 ° C

- Wytrzymanie w temperaturze Tb = 245°C przez te = 17 min- Holding at Tb = 245 ° C for te = 17 min

PL 234 490 Β1PL 234 490 Β1

- Hartowanie do temperatury Τα = 120°C- Hardening to the temperature of Τα = 120 ° C

- Partycjonowanie w temperaturze Tp = 245°C przez czas tp = 15 min- Partitioning at Tp = 245 ° C for tp = 15 min

- Chłodzenie do temperatury pokojowej- Cooling down to room temperature

Wariant B-Q&P 4Variant B-Q & P 4

- Austenityzacja w temperaturze Ta = 930°C przez czas tA = 30 min- Austenitization at Ta = 930 ° C for tA = 30 min

- Hartowanie do temperatury Tb = 245°C- Hardening to the temperature Tb = 245 ° C

- Wytrzymanie w temperaturze Tb = 245°C przez te = 17 min- Holding at Tb = 245 ° C for te = 17 min

- Hartowanie do temperatury Ta = 60°C- Hardening up to Ta = 60 ° C

- Partycjonowanie w temperaturze Tp = 245°C przez czas tp = 4 min- Partitioning at Tp = 245 ° C for tp = 4 min

- Chłodzenie do temperatury pokojowej- Cooling down to room temperature

Na tak obrobionych próbkach wykonano pomiary twardości, próby jednoosiowego rozciągania oraz próby udarności metodą Charpy’ego, celem określenia podstawowych właściwości mechanicznych stali. W celach porównawczych wykonano również testy mechaniczne na próbkach po obróbce konwencjonalnego hartowania z temperatury 850°C w oleju do temperatury pokojowej i odpuszczania w temperaturze 420°C przez 1 h, a także po procesie pełnej bainityzacji, polegającym na hartowaniu izotermicznym z temperatury 930°C w oleju o temperaturze 245°C i wytrzymaniu w tej temperaturze przez 24h. Właściwości mechaniczne próbek po zastosowaniu powyższych wariantów obróbki zostały przedstawione w tabeli 3.Hardness measurements, uniaxial tensile tests and Charpy impact tests were performed on the samples treated in this way in order to determine the basic mechanical properties of the steel. For comparative purposes, mechanical tests were also carried out on samples after the treatment of conventional hardening from the temperature of 850 ° C in oil to room temperature and tempering at the temperature of 420 ° C for 1 hour, as well as after the full bainitization process, consisting of isothermal quenching from the temperature of 930 ° C in oil at 245 ° C and withstanding at this temperature for 24 hours. The mechanical properties of the samples after the above treatment variants were applied are presented in Table 3.

Tabela 3. Właściwości mechaniczne stali 65SiWMn 7-4-3 po różnych wariantach obróbki B-Q&PTable 3. Mechanical properties of 65SiWMn 7-4-3 steel after various B-Q & P treatment variants

Rodzaj obróbki Type of treatment Twardość HV2 Hardness HV2 Granica plastyczności Rpo,2 [MPa] Yield point Rpo, 2 [MPa] Wytrzymałość mechaniczna Rm [MPa] Mechanical strength Rm [MPa] Ro,2/Rm Ro, 2 / Rm Udarność KV[J] Impact strength KV [J] Wydłużenie całkowite Ac [%] Total elongation Ac [%] B-Q&P 1 B-Q & P 1 705 705 1633 1633 2500 2500 0.65 0.65 9,9 9.9 3,9 3.9 B-Q&P 2 B-Q & P 2 676 676 1246 1246 2300 2300 0.54 0.54 11,0 11.0 7 7 B-Q&P 3 B-Q & P 3 675 675 944 944 2350 2350 0.40 0.40 8 8 11,0 11.0 B-Q&P 4 B-Q & P 4 701 701 1203 1203 2440 2440 0.49 0.49 7 7 6,1 6.1 Pełna nanobainityzacja Full nanobainitization 651 651 1700 1700 2210 2210 0.77 0.77 18 18 8 8 Hartowanie i odpuszczanie Hardening and tempering 520 520 1670 1670 1860 1860 0.90 0.90 11 11 5 5

Na szczególną uwagę zasługują wyniki wytrzymałości mechanicznej, która osiąga we wszystkich wariantach wartości niespotykane w innych stalach nisko- i średniostopowych, porównywalne z wartościami wytrzymałości, jakimi cechują się wysokostopowe i bardzo drogie stale maraging. Parametry wytrzymałościowe HV i R_m jakie uzyskuje stal po każdym z zastosowanych wariantów obróbki są wyższe od analogicznych parametrów stali obrobionej konwencjonalnie, oraz parametrów stali nanostrukturalnej po pełnej bainityzacji. Jednocześnie stal po obróbce B-Q&P w wariancie 3 uzyskuje większą wartość wydłużenia całkowitego w porównaniu do wydłużenia po obróbce konwencjonalnej i po pełnej nanobainityzacji. Wartości udarności są generalnie niskie ale większe niż te, jakimi cechują się wysokowęglowe stale nanobainityczne opisane w publikacjach EP2410070A1, W02010013054A2 i US 2011 0126946 A1. Na uwagę zasługuje również wysoki współczynnik umocnienia wyrażający się niską wartością stosunku Ro,2/Rm, co świadczy o tym, że w stali występuje efekt TRIP. Stale o takich właściwościach zapewniają konstrukcji bezpieczeństwo eksploatacji, gdyż mają zdolność pochłaniania znacznej ilości energii przed ostatecznym pęknięciem.Particularly noteworthy are the results of mechanical strength, which in all variants reach values unprecedented in other low and medium-alloy steels, comparable to the strength values of high-alloy and very expensive maraging steels. The HV and R _m strength parameters obtained by the steel after each of the treatment variants used are higher than the analogous parameters of conventionally processed steel and the parameters of nano-structured steel after full bainitization. At the same time, the steel after BQ&P treatment in variant 3 obtains a higher value of the total elongation compared to the elongation after conventional treatment and after full nanobainitization. The impact toughness values are generally low but greater than those of the high carbon nanobainite steels described in EP2410070A1, WO2010013054A2 and US 2011 0126946 A1. Also noteworthy is the high hardening coefficient expressed by a low value of the Ro.2 / Rm ratio, which proves that the steel has the TRIP effect. Steels with such properties ensure operational safety of the structure, as they have the ability to absorb a significant amount of energy before final fracture.

Powyższe wyniki wskazują, że dzięki zastosowaniu obróbki cieplnej według wynalazku możliwe jest uzyskanie bardzo wysokich właściwości mechanicznych oraz sterowanie nimi w pewnym zakresie poprzez zmianę parametrów obróbki: te, Ta, oraz tp.The above results show that by applying the heat treatment according to the invention, it is possible to obtain very high mechanical properties and to control them to some extent by changing the treatment parameters te, Ta, and the like.

Przykład2Example2

Realizację procesu obróbki cieplnej typu B-Q&P przeprowadzono dla stali łożyskowej 67SiMnCr6-6-4 o składzie chemicznym podanym w tabeli 4. Skład chemiczny tej stali spełnia wymagania do tego typu obróbki, zapewniając pożądane wartości temperatur charakterystycznych (Bs, Ms) i odpowiednią kinetykę przemian fazowych (wykres CTPi). Wykres ten potwierdzaThe B-Q & P type heat treatment process was carried out for the 67SiMnCr6-6-4 bearing steel with the chemical composition given in Table 4. The chemical composition of this steel meets the requirements for this type of treatment, ensuring the desired values of characteristic temperatures (Bs, Ms) and appropriate transformation kinetics phase (CTPi diagram). This graph confirms

PL 234 490 Β1 obecność przemiany bainitycznej a także odpowiednią hartowność, umożliwiającą uniknięcie przemian dyfuzyjnych w rdzeniu próbek do testów mechanicznych w trakcie hartowania z temperatury austenityzacji do zakresu przemiany bainityczej. Proces przemiany bainitycznej prowadzący do wytworzenia w tej stali struktury nanobainitycznej w temperaturze 240°C trwa około 60 h, i jest zbyt długi z punktu widzenia zastosowań przemysłowych. Dlatego zastosowanie procesu B-Q&P może być w przypadku tej stali korzystnym rozwiązaniem.PL 234 490 Β1 presence of bainite transformation as well as appropriate hardenability, allowing to avoid diffusion transformations in the core of samples for mechanical tests during hardening from austenitization temperature to the range of bainite transformation. The bainite transformation process leading to the production of a nanobainite structure in this steel at a temperature of 240 ° C takes about 60 hours, and is too long from the point of view of industrial applications. Therefore, the use of the B-Q & P process may be a favorable solution for this steel.

Tabela 4. Skład chemiczny stali 67SiMnCr6-6-4 wg analizy chemicznejTable 4. Chemical composition of 67SiMnCr6-6-4 steel according to chemical analysis

Gatunek stali Steel grade 67SiMnCr6-6-4 67SiMnCr6-6-4 Pierwiastek stopowy' Alloy element ' C C. Mn Me Si Si Cr Cr Mo Mo Ni Ni Cu Cu Al Al P P. S S. Zawartość pierwiastka w % mas. Element content in wt.% 0,65 0.65 1,32 1.32 1,43 1.43 1,02 1.02 0,24 0.24 0,14 0.14 0,17 0.17 0.046 0.046 0,013 0.013 0,007 0.007

W pierwszym etapie projektowania obróbki na podstawie badań dylatometrycznych oraz symulacji komputerowych wyznaczono następujące parametry:In the first stage of machining design, the following parameters were determined on the basis of dilatometric tests and computer simulations:

- Temperaturę Ms(y) po austenityzacji- The Ms (y) temperature after austenitization

- Czas inkubacji do początku przemiany bainitycznej- Incubation time until the beginning of the bainite transformation

- Kinetykę przemiany bainitycznej - oznaczając czas niezbędny do uzyskania danego zaawansowania przemiany bainitycznej- Kinetics of the bainite transformation - denoting the time necessary to achieve a given advancement of the bainite transformation

- Nową temperaturę Ms po przerwaniu przemiany bainitycznej Ms(yi)- New Ms temperature after breaking the bainite transformation Ms (yi)

- Czas etapu partycjonowania pozwalający na stabilizację austenitu.- Time of the partitioning step allowing the austenite to stabilize.

Jako parametry austenityzacji przyjęto temperaturę Ta = 925°C oraz czas tA = 10 min. Austenityzacja realizowana w takich warunkach pozwala na rozpuszczenie węglików, lecz nie prowadzi do nadmiernego rozrostu ziaren austenitu. Na podstawie badań dylatometrycznych określono temperaturę początku przemiany martenzytycznej po austenityzacji Ms(y) = 219°C. Temperaturę hartowania izotermicznego w procesie bainityzacji ustalono na poziomie te = 240°C, a zatem wyższą od temperatury początku przemiany martenzytycznej austenitu o wartość ΔΤ = 21 °C. Hartowanie izotermiczne przeprowadzono w ciekłym stopie cyny nagrzanej do temperatury 240°C. Takie warunki zapewniły wystarczającą prędkość hartowania izotermicznego z temperatury austenityzacji próbek do testów mechanicznych, by uniknąć wytworzenia perlitu lub bainitu górnego, co mogłoby obniżyć końcowe właściwości mechaniczne. Proces obróbki przeprowadzono dla jednego czasu trwania przystanku izotermicznego te = 3 h 50 min.The austenitization parameters were the temperature Ta = 925 ° C and the time tA = 10 min. Austenitization carried out under such conditions allows for the dissolution of carbides, but does not lead to excessive growth of austenite grains. On the basis of dilatometric tests, the temperature of the onset of the martensitic transformation after austenitization was determined Ms (y) = 219 ° C. The isothermal quenching temperature in the bainitization process was set at te = 240 ° C, thus higher than the temperature of the beginning of the martensitic transformation of austenite by the value of ΔΤ = 21 ° C. Isothermal quenching was performed in a liquid tin alloy heated to a temperature of 240 ° C. These conditions ensured a sufficient speed of isothermal quenching from the austenitizing temperature of the mechanical test specimens to avoid the formation of perlite or top bainite, which would lower the final mechanical properties. The treatment process was carried out for one duration of the isothermal stop te = 3 h 50 min.

Jako temperaturę niepełnego hartowania Ta przyjęto temperaturę pokojową, która leży pomiędzy temperaturą początku przemiany martenzytycznej Ms(yi) austenitu pozostałego po procesie bainityzacji (B) a temperaturą końca tej przemiany Mf(yi).As the temperature of incomplete quenching Ta, room temperature was assumed, which lies between the martensitic transformation start temperature Ms (yi) of austenite remaining after the bainitization process (B) and the end temperature of this transformation Mf (yi).

Jako temperaturę partycjonowania przyjęto taką samą temperaturę jak hartowania izotermicznego, czyli Tp = 240°C. Zastosowano natomiast różne czasy tp trwania tego procesu: 1 min, 10 min oraz 30 min, celem ustalenia optymalnej wartości czasu partycjonowania z punktu widzenia właściwości wytrzymałościowych.The partitioning temperature was the same as for isothermal quenching, i.e. Tp = 240 ° C. On the other hand, different times tp duration of this process were used: 1 min, 10 min and 30 min, in order to determine the optimal value of the partitioning time from the point of view of the strength properties.

Proces B-Q&P przeprowadzono dla czterech różnych wariantów, umożliwiających wytworzenie martenzytu o różnym stopniu przesycenia węglem i austenitu resztkowego o różnym stopniu stabilizacji, co wynika z różnej długości czasu partycjonowania. W pierwszym wariancie nie przeprowadzono partycjonowania.The B-Q & P process was carried out for four different variants, enabling the production of martensite with a different degree of carbon supersaturation and a residual austenite with a different degree of stabilization, which results from the different length of partitioning time. In the first variant, partitioning was not performed.

Na tak obrobionych próbkach wykonano pomiary twardości, próby jednoosiowego rozciągania oraz próby udarności metodą Charpy’ego, celem określenia podstawowych właściwości mechanicznych stali. Ponadto wykonano próby wytrzymałościowe na próbkach po obróbce konwencjonalnego hartowania z temperatury Ta = 925°C w oleju do temperatury pokojowej i odpuszczania w temperaturze 450°C przez 1 h.Hardness measurements, uniaxial tensile tests and Charpy impact tests were performed on the samples treated in this way in order to determine the basic mechanical properties of the steel. In addition, strength tests were performed on samples after conventional hardening treatment from Ta = 925 ° C in oil to room temperature and tempering at 450 ° C for 1 hour.

Właściwości mechaniczne próbek po zastosowaniu powyższych wariantów obróbki zostały przedstawione w tabeli 5.The mechanical properties of the samples after applying the above treatment variants are presented in Table 5.

PL 234 490 Β1PL 234 490 Β1

Tabela 5. Właściwości mechaniczne stali 67SiMnCr6-6-4 po obróbce B-Q&P przy różnych czasach partycjonowaniaTable 5. Mechanical properties of 67SiMnCr6-6-4 steel after B-Q & P treatment at different partitioning times

Parametry procesu B-Q&P B-Q&P process parameters Twardość HV2 Hardness HV2 Granica plastyczności Rpo,2 [MPa] Yield point Rpo, 2 [MPa] Wytrzymałość mechaniczna R_m [MPa]Mechanical strength R _m [MPa] Ro,2/Rm Ro, 2 / Rm Wydłużenie całkowite Ac[%] Total elongation Ac [%] Udarność [J] Impact strength [J] B:240°C-3h50’ Q:25°C B: 240 ° C-3h50 ' Q: 25 ° C 596 596 1060 1060 1940 1940 0,55 0.55 2 2 2,4 2.4 B: 240°C-3h50’ Q:25°C-1’ P: 240°C- Γ B: 240 ° C-3h50 ' Q: 25 ° C-1 ' P: 240 ° C- Γ 553 553 1000 1000 2180 2180 0.46 0.46 3 3 2,8 2.8 B: 240°C-3h50’ Q:25°C-1’ P: 240°C-10’ B: 240 ° C-3h50 ' Q: 25 ° C-1 ' P: 240 ° C-10 ' 535 535 1100 1100 1980 1980 0,56 0.56 2 2 8,3 8.3 B: 24O°C-3h5O’ Q:25°C-1’ P:240°C-30’ B: 24O ° C-3h5O ' Q: 25 ° C-1 ' P: 240 ° C-30 ' 463 463 1110 1110 2170 2170 0,51 0.51 16 16 8,5 8.5 Hartowanie i odpuszczanie 450°C -Ih Hardening and tempering at 450 ° C -Ih 638 638 1360 1360 1730 1730 0,79 0.79 3,5 3.5 5,7 5.7

Szczególnie wysokie parametry wytrzymałościowe oraz wydłużenia, będącego miarą ciągliwości, osiąga stal po najdłuższym czasie partycjonowania tp = 30 min. Wartości wytrzymałości, a przede wszystkim wydłużenia całkowitego i udarności po tej obróbce są większe niż po obróbce konwencjonalnego hartowania i odpuszczania. Przy braku etapu partycjonowania, lub zbyt krótkim czasie jego trwania, zarówno udarność jak i wydłużenie całkowite osiągają bardzo małe wartości.Particularly high strength and elongation parameters, which are a measure of ductility, are achieved by steel after the longest partitioning time tp = 30 min. The values of strength, and above all, the total elongation and toughness, after this treatment are higher than after conventional hardening and tempering treatment. In the absence of a partitioning step or its duration too short, both the toughness and total elongation are very low.

Przykład3Example3

Realizację obróbki cieplnej typu B-Q&P przeprowadzono dla wytopu eksperymentalnego stali o składzie chemicznym podanym w tabeli 6. Skład chemiczny stali został zaprojektowany specjalnie pod kątem obróbki B-Q&P, celem uzyskania niskiej wartości temperatury Ms, oraz względnie dużej hartowności.The B-Q & P type heat treatment was carried out for the experimental melting of steel with the chemical composition given in Table 6. The chemical composition of the steel was designed specifically for B-Q & P treatment in order to obtain a low Ms temperature value and relatively high hardenability.

Tabela 6. Skład chemiczny stali eksperymentalnej wg analizy chemicznejTable 6. Chemical composition of the experimental steel according to the chemical analysis

Pierwiastek stopowy Alloying element C C. Mn Me Si Si Cr Cr Mo Mo V V Ni Ni Cu Cu Al Al P P. S S. Zawartość pierwiastka [% mas.] Element content [wt.%] 0,95 0.95 1,06 1.06 1,54 1.54 1,02 1.02 0,24 0.24 0.22 0.22 0,18 0.18 0,13 0.13 0,42 0.42 0,013 0.013 0,011 0.011

W pierwszym etapie projektowania obróbki na podstawie badań dylatometrycznych wyznaczono następujące parametry:In the first stage of machining design, the following parameters were determined based on dilatometric tests:

- Temperaturę Ms(y) po austenityzacji- The Ms (y) temperature after austenitization

- Czas inkubacji do początku przemiany bainitycznej- Incubation time until the beginning of the bainite transformation

- Kinetykę przemiany bainitycznej - oznaczając czas niezbędny do uzyskania danego zaawansowania przemiany bainitycznej- Kinetics of the bainite transformation - denoting the time necessary to achieve a given advancement of the bainite transformation

- Nową temperaturę Ms po przerwaniu przemiany bainitycznej Ms(yi)- New Ms temperature after breaking the bainite transformation Ms (yi)

- Parametry etapu partycjonowania pozwalające na stabilizację austenitu.- Partitioning step parameters to stabilize austenite.

Jako parametry austenityzacji przyjęto temperaturę Ta = 930°C oraz czas tA = 10 min. Na podstawie badań dylatometrycznych określono temperaturę początku przemiany martenzytycznej po austenityzacji Ms(y) = 175°C. Badano próbki po hartowaniu izotermicznym w oleju w temperaturze: Tb = 260°C, a zatem wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej austenitu o 85°C. Badania przeprowadzono dla różnych czasów trwania przystanku izotermicznego te. Tabela 7 przedstawia zmianyThe austenitization parameters were the temperature Ta = 930 ° C and the time tA = 10 min. On the basis of dilatometric tests, the temperature of the onset of martensitic transformation after austenitization Ms (y) = 175 ° C was determined. The samples were tested after isothermal quenching in oil at the temperature: Tb = 260 ° C, i.e. 85 ° C higher than the martensitic transformation start temperature of austenite. The research was carried out for different durations of the isothermal stop te. Table 7 shows the changes

PL 234 490 Β1 temperatury Ms(-/r) w funkcji czasu trwania przystanku izotermicznego te stali po austenityzacji w 930°C przez 10 min, i następnie hartowanej izotermicznie w temperaturze 260°C.PL 234 490 Β1 temperature Ms (- / r) as a function of the isothermal stop time te of the steel after austenitization at 930 ° C for 10 minutes, and then isothermally hardened at 260 ° C.

Tabela 7. Zmiany temperatury Ms(yr) oraz stopnia zaawansowania przemiany bainitycznej w funkcji czasu trwania przystanku izotermicznego teTable 7. Changes in the Ms (yr) temperature and the degree of advancement of the bainite transformation as a function of the isothermal stop duration te

Proces bainityzacji Tb [°C] - t_B [min]Bainitization process Tb [° C] - t _B [min] Stopień zaawansowania przemiany bainitycznej [%] The degree of advancement of the bainite transformation [%] Temperatura Ms(y_r) po przerwaniu przemiany bainitycznej [°C]Temperature Ms (y _r ) after breaking the bainite transformation [° C] B: 260°C-45 min B: 260 ° C-45 min 15 15 172 172 B: 260°C-60 min B: 260 ° C-60 min 30 thirty 166 166 B: 260°C-75 min B: 260 ° C-75 min 50 50 140 140 B: 260°C-90 min B: 260 ° C-90 min 60 60 117 117 B: 260°C - 104 min B: 260 ° C - 104 min 70 70 108 108 B: 260°C- 1200 min (20h) B: 260 ° C- 1200 min (20h) 100 100 < Tpok. <Tpok.

Proces B-Q&P przeprowadzono dla różnych wariantów, umożliwiających wytworzenie martenzytu o różnym stopniu przesycenia węglem i austenitu resztkowego o różnym stopniu stabilizacji, co wynika z różnej długości czasu partycjonowania. Zastosowano różne temperatury niepełnego hartowania Ta = 25°C, 40°C lub 60°C, które mieściły się poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej austenitu szczątkowego pozostałego po procesie bainityzacji. Analizowano również dwa rodzaje partycjonowania: w temperaturze Tp = 450°C przez czas tp = 1 min oraz w temperaturze Tp = 320°C przez czas Tp= 5 min.The B-Q & P process was carried out for various variants, enabling the production of martensite with various degrees of carbon supersaturation and residual austenite with various degrees of stabilization, which results from the different length of partitioning time. Various incomplete quenching temperatures Ta = 25 ° C, 40 ° C or 60 ° C were used, which were below the martensitic transformation start temperature of the residual austenite remaining after the bainitization process. Two types of partitioning were also analyzed: at the temperature Tp = 450 ° C for the time tp = 1 min and at the temperature Tp = 320 ° C for the time Tp = 5 min.

Na tak obrobionych próbkach wykonano pomiary twardości metodą Vickersa HV2. W celach porównawczych wykonano również testy twardości po procesach pełnej bainityzacji, przy zastosowaniu hartowania z przystankiem izotermicznym w temperaturze 260°C i wytrzymaniu w tej temperaturze przez 20 h.Hardness measurements were performed using the Vickers HV2 method on the samples treated in this way. For comparative purposes, hardness tests were also carried out after the full bainitization processes, using isothermal quenching at 260 ° C and holding at this temperature for 20 hours.

Parametry poszczególnych procesów B-Q&P po austenityzacji w 930°C przez 10 min, oraz odpowiadające im oszacowane zawartości poszczególnych faz, jak również średnie wartości twardości, przedstawia tabela 8.The parameters of the individual B-Q & P processes after austenitization at 930 ° C for 10 minutes, and the corresponding estimated contents of individual phases, as well as the average hardness values are presented in Table 8.

Tabela 8. Parametry procesu B-Q&P oraz skład fazowy jak również wartości twardości stali po procesieTable 8. B-Q & P process parameters and phase composition as well as steel hardness values after the process

Parametry procesu Process parameters Zawartość bainitu [%] Bainite content [%] Zawartość martenzytu [%1 Martensite content [% 1 Zawartość austenitu [%1 Austenite content [% 1 Średnia twardość HV2 Medium hardness HV2 Pełna bainityzacja B: 260°C - 20h Full bainitization B: 260 ° C - 20h 79 79 0 0 21 21 627 627 B-Q&P B: 260°C - 90’, Q: 40°C, P: 450°C - 1’ B-Q&P B: 260 ° C - 90 ', Q: 40 ° C, P: 450 ° C - 1 ' 47 47 16 16 37 37 510 510 B-Q&P B:260°C-75’,Q: 60°C, P: 450°C-l’ B-Q&P B: 260 ° C-75 ', Q: 60 ° C, P: 450 ° C-l ' 40 40 18 18 42 42 523 523 B-Q&P B: 260°C - 75’, Q: 25°C, P: 450°C- Γ B-Q&P B: 260 ° C - 75 ', Q: 25 ° C, P: 450 ° C- Γ 40 40 35 35 25 25 650 650 B-Q&P B: 260°C - 75’, Q: 25°C, P: 320°C -5’ B-Q&P B: 260 ° C - 75 ', Q: 25 ° C, P: 320 ° C -5 ' 40 40 35 35 25 25 721 721

PL 234 490 B1PL 234 490 B1

Szczególnie wysoką twardość uzyskują próbki o największej zawartości martenzytu (35%) i jednocześnie najmniejszej zawartości austenitu (25%). Twardość tych próbek jest większa od twardości próbek po procesie pełnej nanobainityzacji. Duża zawartość austenitu obniża twardość próbek. Twardość jest najwyższa, jeśli partycjonowanie jest realizowane w niższej temperaturze (320°C). Wysoka temperatura partycjonowania (450°C) zmniejsza twardość stali.Specimens with the highest martensite content (35%) and the lowest austenite content (25%) attain particularly high hardness. The hardness of these samples is higher than the hardness of the samples after the full nanobainitization process. High austenite content reduces the hardness of the samples. Hardness is highest when partitioning is done at a lower temperature (320 ° C). High partitioning temperature (450 ° C) reduces the hardness of the steel.

Claims (9)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Sposób obróbki cieplnej elementów z materiału wyjściowego, którym jest stal lub staliwo niskolub średniostopowe, z wykorzystaniem przemiany bainitycznej, znamienny tym, że element z materiału wyjściowego obrabia się termicznie w następujących etapach:1. Method of heat treatment of elements made of the starting material, which is steel or cast steel, with the use of bainite transformation, characterized in that the element made of the starting material is thermally treated in the following steps: - etap A: nagrzewanie do temperatury austenityzacji Ta i wytrzymanie w tej temperaturze przez określony czas tA,- stage A: heating to austenitizing temperature Ta and keeping at this temperature for a specified time tA, - etap B: hartowanie do temperatury przystanku izotermicznego Tb leżącej w zakresie pomiędzy temperaturą Ms(y) + AT a 350°C i wytrzymanie w tej tem peraturze przez określony czas t b, do uzyskania udziału objętościowego wytworzonego ferr ytu bainitycznego w zakresie 10-80%, korzystnie 20-75% obj.,- stage B: hardening to the temperature of the isothermal stop Tb lying in the range between the temperature Ms (y) + AT and 350 ° C and holding at this temperature for a specified time tb, to obtain the volume fraction of the produced bainitic ferrite in the range of 10-80% , preferably 20-75 vol.%, - etap Q: hartowanie do zadanej temperatury Tq leżącej pomiędzy temperaturą początku Ms(yi-i) i końca Mf(yr1) przemiany martenzytycznej austenitu γη pozostałego po przemianie bainitycznej i wytrzymanie w tej temperaturze przez czas tQ, przy czym temperatura Tq i czas tQ są tak dobrane, aby po tym etapie w mikrostrukturze pozostało co najmniej 10% obj. austenitu resztkowego,- stage Q: quenching to a set temperature Tq lying between the temperature of the beginning Ms (yi-i) and the end Mf (yr1) of the martensitic transformation of austenite γη remaining after the bainitic transformation and holding at this temperature for the time tQ, with the temperature Tq and time tQ being selected so that after this stage at least 10 vol.% remains in the microstructure. residual austenite, - etap P: wyżarzanie w temperaturze Tp > Tq i wytrzymywanie w tej temperaturze przez określony czas tp pozwalający na dyfuzję węgla i stabilizację austenitu, przy czym temperatura Tp i czas tp są tak dobrane, aby zapewnić uzyskanie temperatury początku przemiany martenzytycznej austenitu w końcowej mikrostrukturze Ms(yi-2) mniejszej niż planowana temperatura eksploatacji końcowego wyrobu Te, przy zachowaniu zawartości austenitu szczątkowego w końcowej mikrostrukturze stopu powyżej 10% obj.,- stage P: annealing at a temperature Tp> Tq and withstanding at this temperature for a specified time tp allowing for carbon diffusion and stabilization of austenite, the temperature Tp and time tp are selected so as to ensure the achievement of the martensitic transformation start temperature of austenite in the final microstructure Ms (yi-2) lower than the planned operating temperature of the final product Te, while maintaining the content of residual austenite in the final alloy microstructure above 10% by volume, - etap C: chłodzenie, przy czym jako materiał wyjściowy stosuje się stopy żelaza: stal lub staliwo nisko- lub średniostopowe, w których występuje przemiana bainityczna, a zawartość węgla i dodatków stopowych jest taka, by stop po austenityzacji miał temperaturę początku przemiany martenzytycznej MS wyższą niż 130°C i niższą od 350°C.- stage C: cooling, where the starting material is iron alloys: steel or cast steel, low or medium alloy, in which there is a bainite transformation, and the content of carbon and alloying additives is such that the alloy after austenitization has a higher martensitic transformation start temperature MS than 130 ° C and less than 350 ° C. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap B prowadzi się z co najmniej jednym przystankiem izotermicznym, przy czym przystanek lub przystanki izotermiczne mieszczą się w zakresie 200°C < Tb < 350°C, korzystnie między 210°C a 300°C.2. The method according to p. The process of claim 1, wherein step B is performed with at least one isothermal stop, the isothermal stop or stops being in the range 200 ° C <Tb <350 ° C, preferably between 210 ° C and 300 ° C. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap B prowadzi się w temperaturze malejącej w sposób ciągły w zakresie 200°C < Tb < 350°C, korzystnie między 210°C a 300°C.3. The method according to p. A process as claimed in claim 1, characterized in that step B is carried out continuously at a decreasing temperature in the range of 200 ° C <Tb <350 ° C, preferably between 210 ° C and 300 ° C. 4. Sposób według zastrz. 2 i 3, znamienny tym, że w etapie B temperatura Tb leży powyżej temperatury Ms(y) o przedział AT wynoszący co najmniej 10°C, przy czym wartość przedziału AT jest tak dobrana, aby temperatura Tb była większa niż 200°C, korzystnie większa niż 210°C i mniejsza niż 350°C, korzystnie mniejsza niż 300°C.4. The method according to p. The method according to claims 2 and 3, characterized in that in step B the temperature Tb is above the temperature Ms (y) by an AT interval of at least 10 ° C, the value of the AT interval being selected such that the temperature Tb is greater than 200 ° C, preferably greater than 210 ° C and less than 350 ° C, preferably less than 300 ° C. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperatura Tq mieści się w zakresie5. The method according to p. The process of claim 1, wherein the temperature Tq is in the range 25-135°C, korzystnie pomiędzy temperaturą pokojową a 35°C.25-135 ° C, preferably between room temperature and 35 ° C. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperatura Tp mieści się w zakresie6. The method according to p. The process of claim 1, wherein the temperature Tp is in the range 200-450°C, korzystnie w zakresie 230-350°C.200-450 ° C, preferably in the range 230-350 ° C. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał wyjściowy o łącznej zawartości Si i Al nie większej niż 3,2%, korzystnie w zakresie 1,5-2,2% mas.7. The method according to p. 2. The process of claim 1, characterized in that the starting material has a total Si and Al content of not more than 3.2%, preferably in the range of 1.5-2.2% by weight. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał wyjściowy o zawartości co najmniej 0,5% Si.8. The method according to p. The process of claim 1, wherein the starting material contains at least 0.5% Si. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jeśli zawartość Si jest mniejsza niż 0,5%, to łączna zawartość krzemu i aluminium wynosi co najmniej 0,8% mas.9. The method according to p. The process of claim 1, wherein if the Si content is less than 0.5%, the combined silicon and aluminum content is at least 0.8% by weight.