SI20278A

SI20278A - Jekla z ultra visokimi trdnostmi in odlično žilavostjo pri kriogenih temperaturah

Info

Publication number: SI20278A
Application number: SI9820089A
Authority: SI
Inventors: Jayoung Koo; Narasimha-Rao V. Bangaru
Original assignee: Exxonmobil Upstream Researh Company
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2000-12-31
Also published as: GB2348887A; PL342646A1; HRP980346A2; FI20001438A; BG104622A; PE93599A1; JP2001527155A; NO20003175D0; IL136842A0; KR20010024757A; NO20003175L; GB0013632D0; AR013108A1; WO1999032672A1; ZA985325B; SE0002245L; DK200000936A; CO5050267A1; SE0002245D0; CA2316968A1

Abstract

Nizko legirana varivna jekla, kivsebujejo pod 9 mas.% niklja, z ultra visokimi trdnostmi in odlično žilavostjo pri kriogenih temperaturah tako v matični plošči kot tudi v coni, prizadeti s toploto (HAZ) pri varjenju, z natezno trdnostjo nad 830 MPa in mikrostrukturo, ki obsega pretežno fino zrnav letvast martenzit in/ali fino zrnav nižji bainit, pripravimo s segrevanjem jeklenega slaba, ki obsega železo in nekaj ali vse od dodatkov ogljika, mangana, niklja, dušika, bakra, kroma, molibdena, silicija, nioba, vanadija, titana, aluminija in bora; reduciramo slab, da dobimo ploščo v enem ali več prehodih v temperaturnem območju, v katerem austenit rekristalizira; dovršilno valjamo ploščo v enem ali več prehodih v temperaturnem območju pod temperaturo rekristalizacije austenita in nad Ar3 transformacijsko temperaturo; gasimo dovršilno valjano ploščo (10''') do primerne temperature po ustavitvi gašenja (QST); ustavimo gašenje; in popuščamo ploščo (10''') pri primerni temperaturi v časovnem obdobju, ki zadostuje, da dosežemo obarjanje delcev za kaljenje.ŕ

Description

PODROČJE IZUMA

Predloženi izum se nanaša na nizko legirane jeklene plošče z ultra visokimi trdnostmi, ki se dajo variti, z odlično žilavostjo pri kriogenih temperaturah tako v matični plošči kot tudi v coni, prizadeti s toploto (HAZ) pri varjenju. Nadalje se predloženi izum nanaša na postopek za pripravo takih jeklenih plošč.

OZADJE IZUMA

V naslednjem opisu so definirani različni izrazi. Za pomoč je tik pred zahtevki slovar izrazov.

Pogosto je potrebno skladiščiti in transportirati hlapne tekočine pod tlakom pri kriogenih temperaturah, t.j. pri temperaturah pod okoli -40 °C. Npr. obstaja potreba po posodah za skladiščenje in transportiranje utekočinjenega naravnega plina pod tlakom (PLNG) pri tlaku v širokem območju okoli 1035 kPa do okoli 7590 kPa in pri temperaturi v območju okoli -123 °C do okoli -62 °C. Obstaja tudi potreba po posodah za varno in ekonomično skladiščenje in transportiranje drugih hlapnih tekočin z visokim parnim tlakom, kot so metan, etan in propan, pri kriogenih temperaturah. Za take posode, ki naj bi jih konstruirali iz varjenega jekla, mora imeti jeklo primemo trdnost, da zdrži tlak tekočine, in primemo žilavost za preprečevanje iniciacije preloma, t.j. odpovedi, pri pogojih obratovanja tako pri matičnem jeklu kot tudi pri HAZ.

Temperatura prehoda od kovnega do krhkega (DBTT) opisuje oba režima prelomov v konstrukcijskih jeklih. Pri temperaturah pod DBTT večkrat pride do odpovedi v jeklu zaradi nizko energijskega razkolnega (krhkega) preloma, medtem ko pri temperaturah nad DBTT večkrat pride do odpovedi v jeklu zaradi visoko energijskega kovnega preloma. Varjena jekla, uporabljena pri konstrukciji skladiščnih in transportnih posod za preje omenjene kriogene temperaturne aplikacije in za druga opravila pod obremenitvijo pri kriogenih temperaturah, morajo imeti DBTT precej pod temperaturo opravila tako pri matičnem jeklu kot tudi pri HAZ, da se izognemo odpovedi zaradi nizko energijskega razkolnega preloma.

Jekla, ki vsebujejo nikelj, običajno uporabljana za konstrukcijske uporabe pri kriogenih temperaturah, npr. jekla z vsebnostmi niklja nad okoli 3 mas.%, imajo nizke DBTT, imajo pa tudi relativno nizke natezne trdnosti. Tipično imajo tržno dostopna jekla s 3,5 mas.% Ni, 5,5 mas.% Ni oz. 9 mas.% Ni DBTT okoli -100 °C, -155 °C oz. -175 °C in natezne trdnosti do okoli 485 MPa, 620 MPa oz. 830 MPa. Da bi dosegli te kombinacije trdnosti in žilavosti, ta jekla na splošno podvržejo dragi predelavi, npr. dvojni žarilni obdelavi. V primeru aplikacij pri kriogenih temperaturah industrija sedaj uporablja ta komercialna jekla, ki vsebujejo nikelj, zaradi njihove dobre žilavosti pri nizkih temperaturah, vendar mora obiti njihove relativno nizke natezne trdnosti. Za to so na splošno potrebne izredne debeline jekel za aplikacije pri kriogenih temperaturah pod obremenitvijo. Tako je uporaba teh jekel, ki vsebujejo nikelj, pri aplikacijah pri kriogenih temperaturah pod obremenitvijo navadno draga zaradi visoke cene jekla v kombinaciji z zahtevanimi debelinami jekla.

Po drugi strani mnoga tržno dostopna uveljavljena nizko legirana jekla z malo in srednje veliko ogljika z visokimi trdnostmi (HSLA jekla), npr. jekla AISI 4320 ali 4330, potencialno nudijo boljše natezne trdnosti (npr. večje kot okoli 830 MPa) in nizko ceno, imajo pa relativno visoke DBTT na splošno, zlasti pa v coni, prizadeti z varilno toploto (HAZ). Na splošno je pri teh jeklih tendenca, da se varivost in nizko temperaturna žilavost zmanjšujeta, ko se povečuje natezna trdnost. Zaradi tega razloga se sedaj tržno dostopna uveljavljena HSLA jekla na splošno ne upoštevajo za aplikacije pri kriogenih temperaturah. Visoka DBTT od HAZ pri teh jeklih je na splošno zaradi tvorbe neželenih mikrostruktur, ki izvirajo iz varilnih termičnih ciklov v interkritično ponovno segretih HAZ grobe zmavosti, t.j. HAZ, ki so segrete na temperaturo od okoli Aci transformacijske temperature do okoli AC3 transformacijske temperature (glej slovar za definiciji Ac_t in Ac₃ transformacijskih temperatur). DBTT se znatno povečuje z naraščajočo velikostjo zrn in mikrostrukturnimi sestavinami, ki povzročajo krhkost, kot so otočki martenzita - avstenita (MA), v HAZ. Npr. DBTT za HAZ v uveljavljenem HSLA jeklu za XI00 cevovode za prenos olja in plina je nad okoli -50 °C.

Obstajajo znatne pobude v sektorjih energijskega shranjevanja in transporta za razvoj novih jekel, ki združujejo lastnosti nizko temperaturne žilavosti zgoraj omenjenih tržnih jekel, ki vsebujejo nikelj, z lastnostmi visoke trdnosti in nizke cene HSLA jekel, obenem pa je tudi zagotovljena odlična varivost in želena primernost .debelega preseka, t.j. v bistvu enakomerna mikrostruktura in lastnosti (npr. trdnost in žilavost) pri debelinah nad okoli 2,5 cm.

Pri ne-kriogenih aplikacijah je večina tržno dosegljivih, uveljavljenih HSLA jekel z malo in srednje veliko ogljika zaradi svoje relativno nizke žilavosti pri visokih trdnostih zasnovana bodisi z delčkom njihovih trdnosti ali po drugi strani predelana do nižjih trdnosti za doseganje primerne žilavosti. Pri konstrukcijskih aplikacijah vodijo ti pristopi do povečane debeline preseka in zato do višjih mas komponent in končno višje cene, kot če bi lahko v celoti uporabili potencial visoke trdnosti HSLA jekel. Pri nekaterih kritičnih aplikacijah, kot so visoko učinkovita gonila, uporabljajo jekla, ki vsebujejo nad okoli 3 mas.% Ni (kot AISI 48ΧΧ, SAE 93ΧΧ itd.) za vzdrževanje zadostne žilavosti. Ta pristop vodi do bistvenega povečanja stroškov, da bi dosegli izredno trdnost HSLA jekel. Dodaten problem, ki ga srečajo pri uporabi standardnih tržnih HSLA jekel, je razpokanje zaradi vodika v HAZ, zlasti kadar uporabljajo varjenje z nizkim vnosom toplote.

Obstajajo znatne ekonomske pobude in določena konstrukcijska potreba po povečanju žilavosti ob visokih in ultra visokih trdnostih pri nizko legiranih jeklih, z nizkimi stroški. Zlasti gre za potrebo po jeklu z zmerno ceno, ki ima ultra visoko trdnost, npr. natezno trdnost nad 830 MPa, in odlično žilavost pri kriogenih temperaturah, npr. DBTT pod okoli -73 °C, oboje v matični plošči in v HAZ, za uporabo pri tržnih aplikacijah pri kriogeni temperaturi.

Torej so primarni predmeti predloženega izuma izboljšati uveljavljeno tehnologijo nizko legiranih jekel z visokimi trdnostmi za uporabnost pri kriogenih temperaturah na treh ključnih področjih: (i) znižanje DBTT na pod okoli -73°C v matičnem jeklu in v varilni HAZ, (ii) doseganje natezne trdnosti nad 830 MPa in (iii) zagotavljanje izredne varivosti. Drugi predmeti predloženega izuma so, da pridemo do preje omenjenih HSLA jekel z bistveno enakomernimi mikrostrukturami po vsej debelini in lastnostmi pri debelinah nad okoli 2,5 cm, za to pa uporabimo sedanje tržno dostopne procesne tehnike, tako da je uporaba teh jekel pri komercialnih postopkih pri kriogenih temperaturah ekonomsko izvedljiva.

POVZETEK IZUMA

V skladu z zgoraj navedenimi predmeti v smislu predloženega izuma gre za procesno metodologijo, pri kateri nizko legiran jekleni slab želene kemije ponovno segrejemo do primerne temperature, nato vroče valjamo, da nastane jeklena plošča, in hitro ohladimo na koncu vročega valjanja z gašenjem s primemo tekočino, kot vodo, do primerne temperature po ustavitvi gašenja (QST), da pretvorimo mikrostrukturo jekla v prednostno pretežno fino zmav letvast martenzit, fino zmav nižji bainit ali njihove zmesi, ter nato s popuščanjem v primernem temperaturnem območju, da dobimo mikrostrukturo v popuščenem jeklu, ki prednostno obsega pretežno popuščen fino zmav letvast martenzit, popuščen fino zmav nižji bainit ali njihove zmesi ali bolj prednostno obsega v bistvu 100% popuščenega fino zmavega letvastega martenita. Gašenje, kot se uporablja pri opisu predloženega izuma, se nanaša na pospešeno hlajenje na katerikoli način, pri Čemer uporabimo tekočino, izbrano zaradi njene tendence, da poveča hitrost hlajenja jekla, v nasprotju z zračnim hlajenjem jekla, do sobne temperature. Pri eni izvedbi v smislu predloženega izuma jekleno ploščo zračno ohladimo do sobne temperature po tem, ko smo ustavili gašenje, in pred popuščanjem.

Tudi v skladu z zgoraj navedenimi predmeti predloženega izuma so jekla, predelana v skladu s predloženim izumom, zlasti primerna za mnoge aplikacije pri kriogenih temperaturah v tem, da imajo jekla naslednje karakteristike, prednostno za debeline jeklene plošče okoli 2,5 cm in več: (i) DBTT pod okoli -73°C v osnovnem jeklu in v varilni HAZ, (ii) natezno trdnost nad 830 MPa, prednostno nad okoli 860 MPa in bolj prednostno nad okoli 900 MPa, (iii) izredno varivost, (iv) v bistvu po vsej debelini enakomerno mikrostrukturo in lastnosti ter (v) izboljšano žilavost v primerjavi s standardnimi tržno dostopnimi HSLA jekli. Ta jekla imajo lahko natezno trdnost nad okoli 930 MPa ali nad okoli 965 MPa ali nad okoli 1000 MPa.

OPIS RISB

Prednosti predloženega izuma bomo bolje razumeli ob sklicevanju' na naslednji podroben opis in priložene risbe, kjer je sl. 1A shematski prikaz velikosti zm austenita v jeklenem slabu po ponovnem segrevanju v smislu predloženega izuma;

sl. IB shematski prikaz predhodne velikosti zm austenita (glej slovar) v jeklenem slabu po vročem valjanju v temperaturnem območju, v katerem austenit rekristalizira, vendar pred vročim valjanjem v temperaturnem območju, v katerem austenit ne rekristalizira, v skladu s predloženim izumom; in sl. IC shematski prikaz podaljšane ploske strukture zm v austenitu, z zelo fino efektivno velikostjo zm v smeri po debelini, jeklene plošče po dokončanju TMCP v smislu predloženega izuma.

Čeprav bomo predloženi izum opisali v zvezi z njegovimi prednostnimi izvedbami, se razume, da izum nanje ni omejen. Nasprotno, mišljeno je, da izum pokriva vse alternative, modifikacije in ekvivalente, ki so lahko vključeni v duha in obseg izuma, kot je definirano s priloženimi zahtevki.

PODROBEN OPIS IZUMA

Predloženi izum se nanaša na razvoj novih HSLA jekel, ki izpolnjujejo zgoraj opisane izzive. Izum temelji na novi kombinaciji kemije jekla in predelave, da zagotovimo tako intrinzično kot tudi mikrostruktumo žilavost, da znižamo DBTT kot tudi da povečamo žilavost pri visokih nateznih trdnostih. Intrinzično žilavost dosežemo z razumnim ravnotežjem kritičnih legimih elementov v jeklu, kot je podrobno opisano v tem opisu. Mikrostruktuma žilavost je posledica tega, da dosežemo zelo fmo efektivno velikost zrn kot tudi da proizvedemo fmo zmave martenzitne in/ali nižje bainitne letve, ki nastopajo v finih paketih s povprečno dimenzijo, ki je mnogo finejša kot predhodno zrno austenita. Poleg tega pri predloženem izumu uporabimo disperzij sko ojačanje iz finih bakrovih oborin in mešanih karbidov in/ali karbonitridov, da optimiramo trdnost in žilavost med popuščanjem martenzitne/bainitne strukture.

V skladu s prejšnjim gre za postopek za pripravo jeklene plošče z mikrostrukturo, ki obsega pretežno popuščen fino zmav letvast martenzit, popuščen fino zmav nižji bainit ali njihove zmesi, označen s tem, da obsega naslednje stopnje: (a) segrevanja jeklenega slaba do temperature ponovnega segrevanja, ki je zadosti visoka, da (i) se v bistvu homogenizira jekleni slab, (ii) se raztopijo v bistvu vsi karbidi in karbonitridi nioba in vanadija v jeklenem slabu in da (iii) se dobijo fina začetna austenitna zrna v jeklenem slabu; (b) reduciranja jeklenega slaba, da nastane jeklena plošča v enem ali več prehodih vročega valjanja v prvem temperaturnem območju, v katerem austenit rekristalizira; (c) nadaljnjega reduciranja jeklene plošče v enem ali več prehodih vročega valjanja v drugem temperaturnem območju pod okoli T_nr temperaturo in nad okoli Ar₃ transformacijsko temperaturo; (d) gašenja jeklene plošče pri hitrosti hlajenja od okoli 10°C na sekundo do okoli 40°C na sekundo do temperature po ustavitvi gašenja pod okoli M_s transformacijsko temperaturo plus 200°C; (e) ustavitve gašenja; in (f) popuščanja jeklene plošče pri temperaturi popuščanja od okoli 400°C do okoli Aci transformacijske temperature, prednostno do, vendar ne vključno, Acj transformacijske temperature, v časovnem obdobju, ki zadostuje, da pride do obarjanja delcev za kaljenje, t.j. enega ali več izmed ε-bakra, Mo₂C ali karbidov in karbonitridov nioba in vanadija. Časovno obdobje, ki zadostuje, da pride do obarjanja delcev za kaljenje, je odvisno primarno od debeline jeklene plošče, kemije jeklene plošče in temperature popuščanja ter ga lahko določi strokovnjak. (Glej slovar za definicije pretežno, delci za kaljenje, T_nr temperatura, Ar₃, M_s in Aci transformacijske temperature ter Mo₂C.)

Za zagotovitev žilavosti pri sobni in kriogenih temperaturah imajo jekla v smislu predloženega izuma prednostno mikrostrukturo, ki obsega pretežno popuščeni fino zmav nižji bainit, popuščeni fino zmav letvast martenzit ali njihove zmesi. Prednostno je, da se v bistvu minimizira nastanek sestavin, ki povzročajo krhkost, kot je gornji bainit, dvojčeni martenzit in MA. Kot se uporablja pri opisu predloženega izuma in v zahtevkih, pomeni pretežno vsaj okoli 50 vol.%. Bolj prednostno obsega mikrostruktura vsaj okoli 60 vol.% do okoli 80 vol.% popuščenega fino zmavega nižjega bainita, popuščenega fino zmavega letvastega martenzita ali njihovih zmesi. Celo bolj prednostno obsega mikrostruktura vsaj 90 vol.% popuščenega fino zmavega nižjega bainita, popuščenega fino zmavega letvastega martenzita ali njihvoih zmesi. Najbolj prednostno obsega mikrostruktura v bistvu 100% popuščenega fino zmavega letvastega martenzita.

Jekleni slab, predelan v smislu predloženega izuma, izdelamo na običajen način in v eni izvedbi obsega železo in naslednje legime elemente, prednostno v masnih območjih, navedenih v naslednji tabeli I:

Tabela I

Legirni element

Območje (mas.%) ogljik (C) mangan (Mn) nikelj (Ni) baker (Cu) molibden (Mo) niob (Nb) titan (Ti) aluminij (Al) dušik (N)

0,04 - 0,12, bolj prednostno 0,04 - 0,07 0,5 - 2,5, bolj prednostno 1,0 - 1,8 1,0 - 3,0, bolj prednostno 1,5 - 2,5 0,1 -1,5, bolj prednostno 0,5 - 1,0 0,1 - 0,8, bolj prednostno 0,2 - 0,5 0,02 - 0,1, bolj prednostno 0,03 - 0,05 0,008 - 0,03, bolj prednostno 0,01 - 0,02 0,001 - 0,05, bolj prednostno 0,005 - 0,03 0,002 - 0,005, bolj prednostno 0,002 - 0,003

Jeklu včasih dodamo vanadij (V), prednostno do okoli 0,10 mas.%, bolj prednostno okoli 0,02 mas.% do okoli 0,05 mas.%.

Jeklu včasih dodamo krom (Cr), prednostno do okoli 1,0 mas.%, bolj prednostno okoli 0,2 mas.% do okoli 0,6 mas.%.

Jeklu včasih dodamo silicij (Si), prednostno do okoli 0,5 mas.%, bolj prednostno okoli 0,01 mas.% do okoli 0,5 mas.%, in celo bolj prednostno okoli 0,05 mas.% do okoli 0,1 mas.%.

Jeklu včasih dodamo bor (B), prednostno do okoli 0,0020 mas.%, bolj prednostno okoli 0,0006 mas.% do okoli 0,0010 mas.%.

Jeklo prednostno vsebuje vsaj okoli 1 mas.% niklja. Vsebnost niklja v jeklu lahko povečamo nad okoli 3 mas.%, če želimo povečati učinek po varjenju. Za vsak 1 mas.% dodatka niklja se pričakuje, da bo znižal DBTT jekla za okoli 10°C. Vsebnost niklja je prednostno pod 9 mas.%, bolj prednostno pod okoli 6 mas.%. Vsebnost niklja prednostno minimiziramo, da minimiziramo ceno jekla. Če vsebnost niklja povečamo nad okoli 3 mas.%, lahko vsebnost mangana zmanjšamo pod okoli 0,5 mas.% do 0,0 mas.%.

Poleg tega v jeklu prednostno bistveno minimiziramo preostanke. Vsebnost fosforja (P) je prednostno pod okoli 0,01 mas.%. Vsebnost žvepla (S) je prednostno pod okoli 0,004 mas.%. Vsebnost kisika (O) je prednostno pod okoli 0,002 mas.%.

Predelava jeklenega slaba (1) Znižanje DBTT

Doseženje nizke DBTT, t.j. pod okoli -73°C, je ključni izziv v razvoju novih HSLA jekel za aplikacije pri kriogenih temperaturah. Tehničen izziv je, da vzdržujemo/povečamo trdnost pri sedanji HSLA tehnologiji ob znižanju DBTT, zlasti v HAZ. Pri predloženem izumu izrabimo kombinacijo legiranja in predelave, da spremenimo tako intrinzične kot tudi mikrostruktume prispevke k porušitveni odpornosti tako, da proizvedemo nizko legirano jeklo z odličnimi lastnostmi pri kriogenih temperaturah v matični plošči in v HAZ, kot je opisano v nadaljevanju.

Pri predloženem izumu izrabimo mikrostruktumo žilavost za znižanje DBTT osnovnega jekla. Ključna komponenta te mikrostruktume žilavosti obstoji iz udrobnjenja predhodne velikosti zrn austenita in modificiranja morfologije zm, cilj vsega tega pa je povečanje medploskovne površine velikokotnih meja na enotski volumen v jekleni plošči. Kot strokovnjaki vedo, pomeni zrno, kot se tukaj uporablja, posamezen kristal v polikristalnem materialu in pomeni meja zrna, kot se tukaj uporablja, ozko cono v kovini, ki ustreza prehodu iz ene kristalografske orientacije v drugo in tako loči eno zrno od drugega. Kot se tukaj uporablja, je velikokotna meja zrna meja zrna, ki loči dve sosednji zrni, katerih kristalografski orientaciji se razlikujeta za več kot okoli 8°. Tudi kot se tukaj uporablja, je velikokotna meja meja, ki se efektivno obnaša kot velikokotna meja zrna, t.j. meja, ki teži k temu, da spelje vstran razširjajočo se razpoko ali prelom in tako povzroči zakrivljenost na poti preloma.

Prispevek termo-mehaničnega kontroliranega valjanja (TMCP) k celotni medploskovni površini velikokotnih meja na enotski volumen, Sv, je definiran z naslednjo enačbo:

Sv = l^l + J?+l^+0,63(r-30) kjer je d povprečna velikost austenitnih zm v vroče valjani jekleni plošči pred valjanjem v temperaturnem območju, v katerem austenit ne rekristalizira (predhodna velikost zm austenita);

R je redukcijsko razmerje (originalna debelina jeklenega slaba/končna debelina jeklene plošče); in rje odstotna redukcija v debelini jekla zaradi vročega valjanja v temperaturnem območju, v katerem austenit ne rekristalizira.

Znano je, da ko se Sv jekla povečuje, se DBTT zmanjšuje zaradi speljave razpoke vstran in spremljajoče zakrivljenosti na poti razpoke pri velikokotnih mejah. V tržni TMCP praksi je vrednost R fiksirana za dano debelino plošče in je gornja meja za vrednost r tipično 75. Pri danih fiksiranih vrednostih za R in r lahko Sv bistveno povečamo samo z zmanjšanjem d, kot je razvidno iz gornje enačbe. Za zmanjšanje d v jeklih v smislu predloženega izuma uporabimo Ti-Nb mikrolegiranje v kombinaciji z optimirano TMCP prakso. Za enako celotno količino redukcije med vročim valjanjem/deformacijo bomo jeklo z začetno finejšo povprečno velikostjo zrn austenita dobili v finejši gotovi povprečni velikosti zrn austenita. Zato pri predloženem izumu količino Ti-Nb dodatkov optimiramo za prakso z nizkim ponovnim segrevanjem ob nastanku želene inhibicije rasti zrn austenita med TMCP. Glede na sl. 1A uporabimo relativno nizko temperaturo ponovnega segrevanja, prednostno med okoli 955°C in okoli 1065°C, da dobimo v začetku povprečno velikost D' zrn austenita pod okoli 120 pm v ponovno segretem jeklenem slabu 10' pred vročo deformacijo. S predelavo v smislu predloženega izuma se izognemo prekomerni rasti zrn austenita, ki je posledica uporabe višjih temperatur ponovnega segrevanja, t.j. nad okoli 1095°C pri običajni TMCP. Za pospeševanje z dinamično rekristalizacijo povzročenega udrobnjenja zrn uporabimo velike redukcije na prehod, nad okoli 10%, med vročim valjanjem v temperaturnem območju, v katerem rekristalizira austenit. Če se sedaj sklicujemo na sl. IB, zagotavlja predelava v smislu predloženega izuma povprečno predhodno velikost D zrn austenita (t.j. d) pod okoli 30 pm, prednostno pod okoli 20 pm in celo bolj prednostno pod okoli 10 pm, v jeklenem slabu 10 po vročem valjanju (deformaciji) v temperaturnem območju, v katerem austenit rekristalizira, vendar pred vročim valjanjem v temperaturnem območju, v katerem austenit ne rekristalizira. Polega tega, da dosežemo učinkovito redukcijo velikosti zrn v smeri po debelini, izvedemo velike redukcije, prednostno nad okoli 70% kumulativno, v temperaturnem območju po okoli T_nr temperaturo, vendar nad okoli Ar₃ transformacijsko temperaturo. Če se sedaj sklicujemo na sl. 1C, vodi TMCP v smislu predloženega izuma do nastanka podaljšane ploske strukture zrn v austenitu v dovršilno valjani jekleni plošči

10' z zelo fino efektivno velikostjo D' zrn v smeri po debelini, npr. efektivno velikost D' zrn pod okoli 10 pm, prednostno pod okoli 8 pm in celo bolj prednostno pod okoli 5 pm, pri čemer se poveča medploskovna površina velikokotnih meja, npr. 11, na enotski volumen v jekleni plošči 10', kot bodo razumeli strokovnjaki.

Nekoliko bolj podrobno pripravimo jeklo v smislu predloženega izuma s tvorjenjem slaba z želeno sestavo, kot je tukaj opisano; s segrevanjem slaba na temperaturo od okoli 955°C do okoli 1065°C; z vročim valjanjem slaba, da se tvori jeklena plošča v enem ali več prehodih, kar zagotavlja okoli 30% do okoli 70% redukcijo v prvem temperaturnem območju, v katerem austenit rekristalizira, to je nad okoli T_nrtemperaturo, in z nadaljnjim vročim valjanjem jeklene plošče v enem ali več prehodih, kar zagotavlja okoli 40% do okoli 80% redukcijo v drugem temperaturnem območju pod okoli T_nr temperaturo in nad okoli Ar₃ transformacijsko temperaturo. Vroče valjano jekleno ploščo nato pogasimo pri hitrosti hlajenja okoli 10°C na sekundo do okoli 40°C na sekundo do primerne QST pod okoli M_s transformacijsko temperaturo plus 200°C, takrat pa z gašenjem končamo. Pri eni izvedbi v smislu izuma nato jekleno ploščo zračno ohladimo do sobne temperature. To predelavo uporabimo za pripravo mikrostrukture, ki prednostno obsega pretežno fino zmav letvast martenzit, fino zmav nižji bainit ali njihove zmesi ali bolj prednostno obsega v bistvu 100% fino zmavega letvastega martenzita.

Tako direktno gašen martenzit v jeklih v smislu predloženega izuma ima visoko trdnost, njegovo žilavost pa lahko izboljšamo s popuščanjem pri primerni temperaturi od nad okoli 400°C do okoli Aci transformacijske temperature. Popuščanje jekla v tem temperaturnem območju tudi vodi do zmanjšanja napetosti pri gašenju, kar po drugi strani vodi do povečane žilavosti. Čeprav popuščanje lahko poveča žilavost jekla, normalno vodi do znatne izgube trdnosti. Pri predloženem izumu se običajna izguba trdnosti zaradi popuščanja kompenzira z uvedbo obarjalnega disperzij skega kaljenja. Disperzijsko kaljenje iz finih bakrovih oborin ter mešanih karbidov in/ali karbonitridov uporabljamo za optimiranje trdnosti in žilavosti med popuščanjem martenzitne strukture. Enkratna kemija jekel v smislu predloženega izuma omogoča popuščanje v širokem območju od okoli 400°C do okoli 650°C brez znatne izgube trdnosti zaradi gašenja. Jekleno ploščo prednostno popuščamo pri temperaturi popuščanja od nad okoli 400°C do pod Aci transformacijsko temperaturo v časovnem obdobju, ki zadostuje, da pride do obarjanja delcev za kaljenje (kot je tukaj definirano). Ta predelava olajša pretvorbo mikrostrukture jeklene plošče v pretežno popuščen fino zmav letvast martenzit, popuščen fino zmav nižji bainit ali njihove zmesi. Spet je časovno obdobje, ki zadostuje, da pride do obarjanja delcev za kaljenje, odvisno primarno od debeline jeklene plošče, kemije jeklene plošče in temperature popuščanja ter ga lahko strokovnjak določi.

Kot bodo razumeli strokovnjaki, se odstotna redukcija v debelini, kot.se tukaj uporablja, nanaša na odstotno redukcijo v debelini jeklenega slaba ali plošče pred navedeno redukcijo. Le za namene razlage in ne da bi pri tem omejevali izum, lahko jekleni slab z debelino okob 25,4 cm reduciramo za okoli 50% (50% redukcija) v prvem temperaturnem območju na debelino okoli 12,7 cm, nato reduciramo okoli 80% (80% redukcija) v drugem temperaturnem območju na debelino okoli 2,5 cm. Kot se tukaj uporablja, pomeni slab kos jekla kakršnihkoli dimenzij.

Jekleni slab prednostno segrevamo s primernim načinom za zviševanje temperature v bistvu celotnega slaba, prednostno celotnega slaba, na želeno temperaturo ponovnega segrevanja, npr. z namestitvijo slaba v peč za določen čas. Specifično temperaturo ponovnega segrevanja, ki jo je treba uporabiti za katerokoli sestavo jekla v območju v smislu predloženega izuma, lahko zlahka določi strokovnjak bodisi s poskusom bodisi z izračunom ob uporabi primernih modelov. Poleg tega lahko temperaturo peči in čas ponovnega segrevanja, potreben za zviševanje temperature v bistvu celotnega slaba, prednostno celotnega slaba, na želeno temperaturo ponovnega segrevanja zlahka določi strokovnjak z ozirom na standardne industrijske publikacije.

Razen temperature ponovnega segrevanja, ki se nanaša na v bistvu celoten slab, so sledeče temperature, navedene pri opisu postopka predelave v smislu predloženega izuma, temperature, merjene na površini jekla. Površinsko temperaturo jekla lahko merimo z uporabo npr. optičnega pirometra ali s katerokoli drugo pripravo, primemo za merjenje površinske temperature jekla. Tukaj navedene hitrosti hlajenja so tiste v sredini ali bistveno v sredini debeline plošče; in temperatura po ustavitvi gašenja (QST) je najvišja ali v bistvu najvišja temperatura, dosežena na površini plošče po ustavitvi gašenja zaradi toplote, ki se prenese iz sredinske debeline plošče. Npr. med procesiranjem eksperimentalnih toplot sestavka za jeklo v smislu predloženega izuma namestimo termoelement v sredini ali v bistvu v sredini debeline jeklene plošče za merjenje središčne temperature, površinsko temperaturo pa merimo z uporabo optičnega pirometra. Korelacijo med središčno temperaturo in površinsko temperaturo razvijemo za uporabo med sledečo predelavo istega ali v bistvu istega sestavka za jeklo, tako da lahko središčno temperaturo določimo preko direktnega merjenja površinske temperature. Tudi potrebno temperaturo in pretočno hitrost tekočine za gašenje, da dosežemo želeno pospešeno hitrost hlajenja, lahko določi strokovnjak z ozirom na standardne industrijske publikacije.

Za katerikoli sestavek za jeklo v obsegu predloženega izuma je temperatura, ki definira mejo med rekristalizacijskim območjem in ne-rekristalizacijskim območjem, T_nr temperatura, odvisna od kemije jekla, zlasti koncentracije ogljika in koncentracije nioba, od temperature ponovnega segrevanja pred valjanjem in od količine redukcije, podane v prehodih valjanja. Strokovnjaki lahko določijo to temperaturo za posamezno jeklo v smislu predloženega izuma bodisi s poskusom ali z modelnim izračunom. Podobno lahko tukaj navedene Aci, Ar₃ in M_s transformacijske temperature strokovnjaki določijo za katerokoli jeklo v smislu predloženega izuma bodisi s poskusom ali z modelnim izračunom.

Čeprav so zgoraj opisani mikrostruktumi pristopi koristni za znižanje DBTT v matični jekleni plošči, niso popolnoma učinkoviti za vzdrževanje zadostno nizke DBTT v grobo zmavih območjih varilne HAZ. Tako gre pri predloženem izumu za postopek za vzdrževanje zadosti nizke DBTT v grobo zmavih območjih varilne HAZ z uporabo intrinzičnih učinkov legimih elementov, kot je opisano v nadaljevanju.

Vodilna feritna jekla za kriogene temperature so na splošno na osnovi prostorsko centrirane kubične (BCC) kristalne mreže. Čeprav ta kristalni sistem nudi potencial za zagotavljanje visokih trdnosti ob nizki ceni, ima obnašanje strmega prehoda od kovnega do krhkega preloma, ko se temperatura znižuje. To lahko v osnovi pripišemo močni senzibilnosti kritične razločitvene strižne napetosti (CRSS) (kot je tukaj definirano) na temperaturo v BCC sistemih, kjer CRSS strmo narašča z zmanjševanjem temperature in s tem postanejo strižni procesi in posledično kovni prelom bolj težki. Po drugi strani je kritična napetost za procese krhkega preloma, kot je razkol, manj občutljiva za temperaturo. Zato, ko se temperatura znižuje, postane razkol prednosten prelomni način, ki vodi do nastopa nizko energijskega krhkega preloma. CRSS je intrinzična lastnost jekla in je občutljiva na lahkoto, s katero lahko dislokacije prečno drsijo pri deformaciji; t.j. jeklo, pri katerem je prečno* drsenje lažje, bo tudi imelo nizko CRSS in zato nizko DBTT. Za nekatere ploskovno centrirane kubične (FCC) stabilizatorje, kot Ni, je znano, da pospešujejo prečno drsenje, medtem ko BCC stabilizimi legimi elementi, kot Si, Al, MO, Nb in V, odvračajo prečno drsenje. Pri predloženem izumu prednostno optimiramo vsebnost FCC stabilizimih legimih elementov, kot Ni in Cu, pri čemer upoštevamo razmisleke o stroških in ugoden učinek za znižanje DBTT, z Ni legiranjem prednostno vsaj okoli 1,0 mas.% in bolj prednostno vsaj okoli 1,5 mas.%; in vsebnost BCC stabilizimih legimih elementov v jeklu bistveno minimiziramo.

Kot rezultat intrinzične in mikrostruktume žilavosti, ki izvira iz enkratne kombinacije kemije in predelave za jekla v smislu predloženega izuma, imajo jekla odlično žilavost pri kriogenih temperaturah tako v matični plošči kot tudi v HAZ po varjenju. DBTT tako v matični plošči kot tudi v HAZ po varjenju teh jekel so pod okoli -73°C in so lahko pod okoli -107°C.

(2) Natezna trdnost nad 830 MPa ter enakomernost po debelini mikrostrukture in lastnosti

Na splošno se pri popuščanju navadna ogljikova in nizko legirana martenzitna jekla brez močnih karbidnih tvorcev zmehčajo ali izgubijo svojo trdnost pri popuščanju, pri čemer je stopnja te izgube trdnosti funkcija specifične kemije jekla ter temperature popuščanja in trajanja popuščanja. Pri jeklih v smislu predloženega izuma se izguba trdnosti med popuščanjem znatno izboljša s finim obarjanjem delcev za kaljenje.

Enkratna kemija jekel v smislu predloženega izuma omogoča popuščanje v širokem območju od okoli 400°C do okoli 650°C brez znatne izgube trdnosti pri gašenju. V tem širokem območju popuščanja pride do ojačitve zaradi obarjanja delcev za kaljenje, ki nastopi ali ima pik pri različnih temperautmih režimih; t.j. v tem širokem območju pride do zadostnega obarjanja delcev za kaljenje, da zagotovimo kumulativno trdnost, ki je ustrezna, da kompenzira izgubo trdnosti, ki je normalno povezana s popuščanjem. Prednostna je predelovalna fleksibilnost, ki jo zagotovi sposobnost popuščanja v tem širokem območju.

Pri predloženem izumu dosežemo želeno trdnost pri relativno nizki vsebnosti ogljika s spremljajočimi prednostmi v varivosti in odlični žilavosti tako v matičnem jeklu kot tudi v HAZ. Minimalno okoli 0,04 mas.% C je prednostno v celotni zlitini za doseganje natezne trdnosti nad 830 MPa.

Čeprav so legimi elementi, različni od C, v jeklih v smislu predloženega izuma v bistvu nepomembni, kar se tiče maksimalne dosegljive trdnosti v jeklu, so ti elementi zaželeni, da se zagotovi zahtevana enakomernost mikrostrukture in trdnosti po debelini za debelino plošče nad okoli 2,5 cm in za območje hitrosti hlajenja, želenih za fleksibilnost predelave. To je pomembno, ker je dejanska hitrost hlajenja v srednjem preseku debele plošče manjša kot na površini. Mikrostruktura površine in centra je lahko tako čisto različna, razen če je jeklo tako zasnovano, da je izločena njegova senzibilnost za razliko v hitrosti hlajenja med površino in centrom plošče. V tem pogledu so posebno učinkoviti Mn in Mo legimi dodatki, zlasti kombinirani dodatki Mo in B. Pri predloženem izumu te dodatke optimiramo glede kaljivosti, varivosti, nizke DBTT in stroškovno. Kot je navedeno preje v tem opisu, je s stališča znižanja DBTT bistveno, da se celotni BCC legimi dodatki držijo pri minimumu. Postavljene so prednostne kemijske tarče in območja za izpolnitev teh in drugih zahtev v smislu predloženega izuma.

(3) Izvrstna varivost za varjenje z nizkim vnosom toplote

Jekla v smislu predloženega izuma so zasnovana za izvrstno varivost. Najbolj zaskrbljujoče je, zlasti pri varjenju z nizkim vnosom toplote, razpokanje v hladnem ali razpokanje zaradi vodika v grobo zmavi HAZ. Ugotovili smo, da je za jekla v smislu predloženega izuma občutljivost za razpokanje v hladnem kritično prizadeta z vsebnostjo ogljika in tipom HAZ mikrostrukture in ne s trdoto in ekvivalentom ogljika, za katera se je smatralo v stanju tehnike, da sta kritična parametra. Da bi se izognili razpokanju v hladnem, kadar naj bi jeklo varili ob pogojih varjenja brez predhodnega segrevanja ali z nizkim predhodnim segrevanjem (pod okoli 100°C), je prednostna gornja meja za dodatek ogljika okoli 0,1 mas.%. Kot se tukaj uporablja, ne da bi predloženi izum kakorkoli omejevab, pomeni varjenje z nizkim vnosom, toplote valjenje z ločnimi energijami do okoh 2,5 kJ/mm.

Nižje bainitne ali avtopopuščene letvaste martenzitne mikrostrukture imajo izvrstno odpornost proti razpokanju v hladnem. Drugi legimi elementi v jeklih v smislu predloženega izuma so skrbno uravnoteženi, sorazmerno z zahtevami za kaljivost in trdnost, da zagotovimo nastanek teh želenih mikrostruktur v grobo zmavi HAZ.

Vloga legirnih elementov v jeklenem slabu

Vloga različnih legirnih elementov in prednostne meje njihovih koncentracij za predloženi izum so podane spodaj:

Ogljik (C) je eden od najbolj učinkovitih ojačevalnih elementov v jeklu. Se tudi kombinira z močnimi tvorci karbidov v jeklu, kot so Ti, Nb, V in Mo, da zagotovimo inhibiranje rasti zrn in ojačitev obarjanja med popuščanjem. Ogljik tudi poveča kaljivost, t.j. sposobnost tvorbe trsih in močnejših mikrostruktur v jeklu med hlajenjem. Če je vsebnost ogljika manj kot okoli 0,04 mas.%, ne zadostuje za sproženje želenega ojačenja, namreč nad 830 MPa natezne trdnosti, v jeklu. Če je vsebnost ogljika nad okoli 0,12 mas.%, je jeklo občutljivo za razpokanje v hladnem med varjenjem in žilavost se zmanjša v jekleni plošči in njeni HAZ pri varjenju. Vsebnost ogljika v območju okoli 0,04 mas.% do okoli 0,12 mas.% je prednostna, da dosežemo želeno trdnost in HAZ mikrostrukture, namreč avtopopuščen letvasti martenzit in nižji bainit. Celo bolj prednostno je gornja meja za vsebnost ogljika okoli 0,07 mas.%.

Mangan (Mn) ie ojačevalec osnovne mase v jeklih in tudi močno prispeva h kaljivosti. Minimalna količina 0,5 mas. % Mn je prednostna, da dosežemo želeno visoko trdnost v debelini plošče, ki presega okoli 2,5 cm, minimalno najmanj okoli 1,0 mas.% Mn pa je celo bolj prednostno. Vendar lahko preveč Mn škoduje žilavosti, tako da je pri predloženem izuma prednostna gornja meja okoli 2,5 mas. % Mn. Ta gornja meja je tudi prednostna, da bistveno minimiziramo sredinsko izcejanje, ki navadno nastopa v visokih Mn in kontinuimo litih jeklih, in spremljajočo neenakomernost po debelini v mikrostrukturi in lastnostih. Bolj prednostno je gornja meja za vsebnost Mn okoli 1,8 v

mas.%. Ce se vsebnost niklja poveča nad okoli 3 mas.%, lahko želeno visoko trdnost dosežemo brez dodatka mangana. Zato je v širokem smislu prednostno do okoli 2,5 mas.% mangana.

Silicij (Si) lahko dodamo jeklu za deoksidacijske namene in za ta namen je prednostno minimalno okoli 0,01 mas.%. Vendar je Si močan BCC stabilizator ter tako dvigne DBTT in ima tudi škodljiv učinek na žilavost. Zato je, kadar dodamo Si, prednostna gornja meja okoli 0,5 mas.% Si. Bolj prednostno je, kadar dodamo Si, gornja meja za vsebnost Si okoli 0,1 mas.%. Silicij ni vedno potreben za deoksidacijo, ker lahko aluminij ali titan izvajata isto funkcijo.

Niob (Nb) dodamo za pospeševanje udrobnjenja zm valjane mikrostrukture jekla, kar izboljša tako trdnost kot tudi žilavost. Obarjanje niobovega karbida in karbonitrida med vročim valjanjem služi za zadrževanje rekristalizacije in za inhibiranje rasti zm, pri čemer zagotovi sredstvo za udrobnjenje zm austenita. Tudi obarjanje niobovih karbidov in karbonitridov med popuščanjem zagotavlja želeno sekundarno kaljenje, da se kompenzira izguba trdnosti, ki jo normalno opazimo pri jeklu, kadar ga popuščamo nad okoli 500°C. Za to je prednostno vsaj okoli 0,02 mas.% Nb, celo bolj prednostno pa je vsaj okoli 0,03 mas.% Nb. Vendar je Nb močan BCC stabilizator in tako dvigne DBTT. Preveč Nb je lahko škodljivo za varivost in HAZ žilavost, tako da je prednostno maksimalno okoli 0,1 mas.%. Bolj prednostno je gornja meja za vsebnost Nb okoli 0,05 mas.%.

Vanadij (V) včasih dodamo, da dosežemo obarjalno ojačitev s tvorbo finih delcev karbidov in karbonitridov vanadija v jeklu pri popuščanju in v njegovi HAZ pri hlajenju po varjenju. Kadar je raztopljen v austenitu, ima V močan ugoden učinek na kaljivost. Kadar V dodamo jeklom v smislu predloženega izuma, je prednostno vsaj okoli 0,02 mas.% V. Vendar bo prebiten V pripomogel k povzročitvi razpokanja v hladnem pri varjenju in tudi poslabšal žilavost osnovnega jekla in njegove HAZ. Dodatek V je zato prednostno omejen na maksimalno okoli 0,1 mas.% in celo bolj prednostno je omejen na maksimalno okoli 0,05 mas.%.

Titan (Ti) je, kadar ga dodamo v majhni količini, učinkovit pri tvorbi finih delcev titanovega nitrida (TiN), ki udrobnijo velikost zm tako v valjani strukturi kot tudi v HAZ jekla. Tako se žilavost jekla izboljša. Ti dodamo v taki količini, da je masno razmerje Ti/N prednostno okoli 3,4. Ti je močan BCC stabilizator in tako dvigne DBTT. Prebiten Ti navadno poslabša žilavost jekla s tvorbo bolj grobih delcev TiN ali titanovega karbida (TiC). Vsebnost Ti pod okoli 0,008 mas.% na splošno ne more zagotoviti zadosti fine velikosti zm ali blokira N v jeklu kot TiN, več kot okoli 0,03 mas.% pa lahko povzroči poslabšanje žilavosti. Bolj prednostno vsebuje jeklo vsaj okoli 0,01 mas.% Ti in ne več kot okoli 0,02 mas.% Ti.

Aluminij (Al) dodamo jeklom v smislu predloženega izuma za deoksidacijske namene. Za ta namen je prednostno vsaj okoli 0,001 mas.% Al, celo bolj prednostno pa je vsaj okoli 0,005 mas.% Al. Al tudi blokira dušik, raztopljen v HAZ. Vendar je Al močan BCC stabilizator in tako dvigne DBTT. Če je vsebnost Al previsoka, t.j. nad okoli 0,05 mas.%, obstaja težnja po tvorbi vključkov tipa aluminijevega oksida (AI2O3), kar je navadno škodljivo za žilavost jekla in njegove HAZ. Celo bolj prednostno je gornja meja za vsebnost Al okoli 0,03 mas.%.

Molibden (Mo) zviša kaljivost jekla pri direktnem gašenju, zlasti v kombinaciji z borom in niobom. Mo je tudi zaželen za pospeševanje sekundarnega kaljenja med popuščanjem jekla s tem, da zagotovi fine Mo₂C karbide. Prednostno je vsaj okoli 0,1 mas.% Mo, celo bolj prednostno pa je vsaj okoli 0,2 mas.% Mo. Vendar je Mo močan BCC stabilizator in tako dvigne DBTT. Prebiten Mo pripomore k nastanku razpokanja v hladnem pri varjenju in tudi navadno poslabša žilavost jekla in HAZ, tako da je prednostno maksimalno okoli 0,8 mas.% Mo, celo bolj prednostno pa je maksimalno okoli 0,5 mas.% Mo.

Krom (Cr) navadno poveča kaljivost jekla pri direktnem gašenju. Izboljša tudi korozijsko odpornost in odpornost proti razpokanju zaradi vodika (HIC). Podobno kot Mo prebiten Cr navadno povzroči razpokanje v hladnem pri varjenjih in. navadno poslabša žilavost jekla in njegove HAZ, tako da je pri dodatku Cr prednostno maksimalno okoli 1 mas.% Cr. Bolj prednostno je pri dodatku Cr vsebnost Cr okoli 0,2 mas.% do okoli 0,6 mas.%.

Nikelj (Ni) je pomemeben legimi dodatek jeklom v smislu predloženega izuma, da dobimo želeno DBTT, zlasti v HAZ. Je eden najmočnejših FCC stabilizatorjev v jeklu. Dodatek Ni jeklu poveča prečno drsenje in s tem znižuje DBTT. Čeprav ne do enake stopnje kot dodatki Mn in Mo, dodatek Ni jeklu tudi pospešuje kaljivost in zato enakomernost po debelini v mikrostrukturi in lastnostih v debelih presekih (t.j. debelejših kot okoli 2,5 cm). Za doseganje želene DBTT v varilni HAZ je minimalna vsebnost Ni prednostno okoli 1,0 mas.%, bolj prednostno okoli 1,5 mas.%. Ker je Ni drag legimi element, je vsebnost Ni v jeklu prednostno pod okoli 3,0 mas.%, bolj prednostno pod okoli 2,5 mas.%, bolj prednostno pod okoli 2,0 mas.% in celo bolj prednostno pod okoli 1,8 mas.%, da bistveno minimiziramo ceno jekla.

Baker (Cu) je koristen legimi dodatek, da zagotovimo kaljenje med popuščanjem preko ε-bakrovega obarjanja. Za ta namen prednostno dodamo vsaj okoli 0,1 mas.%, bolj prednostno vsaj okoli 0,5 mas.% Cu. Cu je tudi FCC stabilizator v jeklu in lahko prispeva k znižanju DBTT v majhnih količinah. Cu je tudi ugoden za korozijsko in HIC odpornost. Pri višjih količinah Cu povzroči prekomerno obarjalno kaljenje ter lahko zniža žilavost in dvigne DBTT tako v matični plošči kot tudi v HAZ. Višji Cu lahko tudi povzroči nastanek krhkosti med litjem slaba in vročim valjanjem, ki zahteva so-dodatke Ni za ublažitev. Zaradi gornjih razlogov je prednostna gomja meja okoli

1,5 mas.% Cu, celo bolj prednostna pa je gomja meja okoli 1,0 mas.%.

Bor (B) lahko v majhnih količinah znatno poveča kaljivost jekla in pospeši tvorbo jeklenih mikrostruktur letvastega martenzita, nižjega bainita in ferita s preprečevanjem tvorbe gornjega bainita tako v matični plošči kot tudi v grobo zmavi HAZ. Za ta namen je na splošno potrebno vsaj okoli 0,0004 mas.% B. Kadar dodamo bor jeklom v smislu predloženega izuma, je prednostno od okoli 0,0006 mas.% do okoli 0,0020 mas.%, celo bolj prednostna pa je gomja meja okoli 0,0010 mas.%. Vendar ni nujno, da je bor dodatek, če drugo legiranje v jeklu zagotovi primemo kaljivost in želeno mikrostrukturo.

Ta kombinacija lastnosti jekel v smislu predloženega izuma zagotavlja stroškovno ugodno tehnologijo za določene operacije pri kriogenih temperaturah, npr. skladiščenje in transport naravnega plina pri nizkih temperaturah. Ta nova jekla lahko zagotovijo znatne prihranke pri ceni materiala za uporabe pri kriogenih temperaturah glede na uveljavljena tržna jekla, ki na splošno zahtevajo mnogo višje vsebnosti niklja (do okoli 9 mas.%) in imajo mnogo nižje trdnosti (pod okoli 830 MPa). Kemija in zasnova mikrostrukture se uporabljata za znižanje DBTT in zagotavljata enakomerne mehanske lastnosti po debelini za debeline presekov nad okoli 2,5 cm. Ta nova jekla imajo prednostno vsebnosti niklja pod okoli 3 mas.%, natezno trdnost nad 830 MPa, prednostno nad okoli 860 MPa in bolj prednostno nad okoli 900 MPa, temperature prehoda od kovnega do krhkega (DBTT) pod okoli -73°C in nudijo odlično žilavost pri DBTT. Ta nova jekla imajo lahko natezno trdnost nad okoli 930 MPa ali nad okoli 965 MPa ali nad okoli 1000 MPa. Vsebnost niklja v teh jeklih lahko povečamo nad okoli 3 mas.%, če je želeno, da izboljšamo obnašanje po varjenju. Za vsak 1 mas.% dodatka niklja pričakujemo, da zmanjša DBTT jekla za okoli 10°C. Vsebnost niklja je prednostno pod 9 mas.%, bolj prednostno pod okoli 6 mas.%. Vsebnost niklja prednostno minimiziramo, da minimiziramo ceno jekla.

Čeprav smo gornji izum opisali z eno ali več prednostnimi izvedbami, je treba razumeti, da lahko naredimo druge modifikacije, ne da bi se oddaljili od obsega izuma, ki je naveden v sledečih zahtevkih.

	Slovar izrazov
Aci transformacijska temperatura:	temperatura, pri kateri se začne austenit tvoriti med segrevanjem;
Ac₃ transformacijska temperatura:	temperatura, pri kateri se transformacija ferita v austenit konča med segrevanjem;
A1₂O₃: Ar₃ transformacijska temperatura:	aluminijev oksid; temperatura, pri kateri se začne austenit pretvarjati v ferit med hlajenjem;
BCC: CRSS (kritična razločitvena napetost):	prostorsko centriran kubičen; strižna intrinzična lastnost jekla, občutljiva na lahkoto, s katero lahko dislokacije prečno drsijo pri deformaciji, t.j. jeklo, pri katerem je prečno drsenje lažje, bo tudi imelo nizko CRSS in zato nizko DBTT;

DBTT (temperatura prehoda od kovnega opisuje oba režima prelomov v

do krhkega):	konstrukcijskih jeklih; pri temperaturah pod DBTT večkrat pride do odpovedi zaradi nizko energijskega razkolnega (krhkega) preloma, medtem ko pri temperaturah nad DBTT večkrat pride do odpovedi zaradi visoko energijskega kovnega preloma;
delci za kaljenje	eden ali več od ε-bakra, Mo₂C ali
FCC:	karbidov in karbonitridov nioba in vanadija; ploskovno centriran kubičen;
gašenje:	kot se uporablja pri opisu predloženega izuma, pospešeno hlajenje na katerikoli način, pri čemer uporabimo tekočino, izbrano zaradi njene tendence, da poveča hitrost hlajenja jekla, v nasprotju z

	zračnim hlajenjem;
HAZ:	cona, prizadeta s toploto;
HIC:	razpokanje zaradi vodika;
HSLA:	nizko legiran z visokimi trdnostmi;
hitrost hlajenja:	hitrost hlajenja v sredini ali v bistvu v sredini debeline plošče;
interkritično ponovno segreto:	segreto (ali ponovno segreto) na temperaturo od okoli Aci transformacijske temperature do okoli Ac₃ transformacijske
kriogena temperatura: MA:	temperature; katerakoli temperatura pod okoli -40°C; martenzit-austenit;
M_s transformacijska temperatura:	temperatura, pri kateri se začne med hlajenjem transformacija austenita v martenzit;
meja zrna:	ozka cona v kovini, ki ustreza prehodu iz
Mo₂C natezna trdnost:	ene kristalografske orientacije v drugo, pri čemer loči eno zrno od drugega; oblika molibdenovega karbida; pri nateznem testiranju razmerje maksimalne obremenitve proti originalni
nizko legirano jeklo:	površini prečnega preseka; jeklo, ki vsebuje železo in pod okoli 10 mas.% skupnih legimih dodatkov;
predhodna velikost zrn austenita:	povprečna velikost austenitnih zrn v vroče valjani jekleni plošči pred valjanjem v temperaturnem območju, v katerem austenit ne rekristalizira;
pretežno:	kot se uporablja pri opisu predloženega izuma, pomeni vsaj okoli 50 vol.%;
Sv:	celotna medploskovna površina velikokotnih meja na enotski volumen v

slab:

TiC:

TiN:

TMCP:

T_nr temperatura:

temperatura po ustavitvi gašenja (QST) varjenje z nizkim vnosom toplote:

velikokotna meja:

velikokotna meja zrna:

zrno:

jekleni plošči;

kos jekla kakršnihkoli dimenzij; titanov karbid; titanov nitrid;

termo-mehanična kontrolirana predelava z valjanjem;

temperatura, pod katero austenit ne rekristalizira;

najvišja ali v bistvu najvišja temperatura, dosežena na površini plošče po.ustavitvi gašenja zaradi toplote, ki se prenese iz sredinske debeline plošče;

varjenje z ločnimi energijami do okoli 2,5 kJ/mm;

meja, ki se efektivno obnaša kot velikokotna meja zrna, t.j. teži k temu, da spelje vstran razširjajočo se razpoko ali prelom in tako povzroči zakrivljenost na poti preloma;

meja zrna, ki loči dve sosednji zrni, katerih kristalografski orientaciji se razlikujeta za več kot okoli 8°; in posamezen kristal v polikristalnem materialu.

Za

ExxonMobil Upstream Research Company: PA^TF^^T'¹*' Γ’ΒΑΡίΝΑ: <Ι·ΟΛ.

Claims

PATENTNI ZAHTEVKI

1. Postopek za pripravo jeklene plošče, ki ima DBTT pod okoli -73 °C tako v jekleni plošči kot tudi v njeni HAZ, natezno trdnost nad 830 MPa in mikrostrukturo, ki obsega pretežno popuščen fino zmav letvast martenzit, popuščen fino zmav nižji bainit ali njihove zmesi, označen s tem, da obsega naslednje stopnje:

(a) segrevanje jeklenega slaba do temperature ponovnega segrevanja, (i) ki je zadosti visoka, da se v bistvu homogenizira jekleni slab ter se raztopijo v bistvu vsi karbidi in karbonitridi nioba in vanadija v jeklenem slabu, in (ii) dovolj nizka, da se dobijo fina začetna austenitna zrna z velikostjo zm pod okoli 120 pm v jeklenem slabu;

(b) reduciranje jeklenega slaba, da nastane jeklena plošča v enem ali več prehodih vročega valjanja v prvem temperaturnem območju, v katerem austenit rekristalizira;

(c) nadaljnje reduciranje jeklene plošče v enem ali več prehodih vročega valjanja v drugem temperaturnem območju pod okoli T_nr temperaturo in nad okoli Ar₃transformacijsko temperaturo;

(d) gašenje jeklene plošče pri hitrosti hlajenja od okoli 10°C na sekundo do okoli 40°C na sekundo do temperature po ustavitvi gašenja pod okoli M_stransformacijsko temperaturo plus 200°C;

(e) ustavitev gašenja; in (f) popuščanje jeklene plošče pri temperaturi popuščanja od okoli 400°C do okoli Aci transformacijske temperature v Časovnem obdobju, ki zadostuje, da pride do obarjanja delcev za kaljenje, da olajšamo pretvorbo mikrostrukture jeklene plošče v pretežno popuščen fino zmavi letvasti martenzit, popuščen fino zmavi nižji bainit ali njihove zmesi.
2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da je temperatura ponovnega segrevanja stopnje (a) med okoli 955°C in okoli 1065°C.
3. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da pride do redukcije v debelini jeklenega slaba okoli 30% do okoli 70% v stopnji (b).
4. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da pride do redukcije v debelini jeklene plošče okoli 40% do okoli 80% v stopnji (c).
5. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da nadalje obsega stopnjo, pri kateri pustimo jekleno ploščo, da se zračno ohladi do sobne temperature s temperature po ustavitvi gašenja pred popuščanjem jeklene plošče v stopnji (f).
6. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da jekleni slab stopnje (a) obsega železo in naslednje legime elemente v navedenih mas. odstotkih:

okoli 0,04% do okoli 0,12% C, vsaj okoli 1% Ni do pod okoli 9% Ni, okoli 0,1% do okoli 1,0% Cu, okoli 0,1% do okoli 0,8% Mo, okoli 0,02% do okoli 0,1% Nb, okoli 0,008% do okoli 0,03% Ti, okoli 0,001% do okoli 0,05% Al in okoli 0,002% do okoli 0,005% N.
7. Postopek po zahtevku 6, označen s tem, da jekleni slab obsega pod okoli 6 mas.% Ni.
8. Postopek po zahtevku 6, označen s tem, da jekleni slab obsega pod okoli 3 mas.% Ni in dodatno obsega okoli 0,5 mas.% do okoli 2,5 mas.% Mn.
9. Postopek po zahtevku 6, označen s tem, da jekleni slab nadalje obsega vsaj en dodatek, izbran iz skupine ki obstoji iz (i) do okoli 1,0 mas.% Cr, (ii) do okoli 0,5 mas.% Si, (iii) do okoli 0,1 mas.% V in (iv) do okoli 2,5 mas.% Mn.
10. Postopek po zahtevku 6, označen s tem, da jekleni slab nadalje obsega okoli 0,0004 mas.% do okoli 0,0020 mas.% B.
11. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da jeklena plošča obsega v bistvu 100% popuščenega fino zmavega letvastega martenzita po popuščanju v stopnji (f).
12. Jeklena plošča, ki ima DBTT pod okoli -73°C tako v jekleni plošči kot tudi v njeni HAZ, natezno trdnost nad 830 MPa in mikrostrukturo, ki obsega pretežno popušČen fino zmav letvast martenzit, popuščen fino zmav nižji bainit ali njihove zmesi, pri čemer jekleno ploščo proizvedemo iz ponovno segretega jeklenega slaba, ki obsega železo in naslednje legime elemente v navedenih mas. odstotkih:

okoli 0,04% do okoli 0,12% C, vsaj okoli 1% Ni do pod okoli 9% Ni, okoli 0,1% do okoli 1,0% Cu, okoli 0,1% do okoli 0,8% Mo, okoli 0,02% do okoli 0,1% Nb, okoli 0,008% do okoli 0,03% Ti, okoli 0,001% do okoli 0,05% Al in okoli 0,002% do okoli 0,005% N.
13. Jeklena plošča po zahtevku 12, označena s tem, da jekleni slab obsega pod okoli 6 mas.% Ni.
14. Jeklena plošča po zahtevku 12, označena s tem, da jekleni slab obsega pod okoli 3 mas.% Ni in dodatno obsega okoli 0,5 mas.% do okoli 2,5 mas.% Mn.
15. Jeklena plošča po zahtevku 12, označena s tem, da nadalje obsega vsaj en dodatek, izbran iz skupine ki obstoji iz (i) do okoli 1,0 mas.% Cr, (ii) do okoli 0,5 mas.% Si, (iii) do okoli 0,1 mas.% V in (iv) do okoli 2,5 mas.% Mn.
16. Jeklena plošča po zahtevku 12, označena s tem, da nadalje obsega okoli 0,0004 mas.% do okoli 0,0020 mas.% B.
17. Postopek za doseženje DBTT pod okoli -73°C v HAZ jeklene plošče, označen s tem, da dodamo vsaj okoli 1,0 mas.% Ni in vsaj okoli 0,1 mas.% Cu ter dodatno dodatek BCC stabilizimih elementov.