PL248062B1 - Stal bainityczna umacniana fazą międzymetaliczną oraz sposób jej wytwarzania - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest stal bainityczna umacniana fazą międzymetaliczną składająca się z ferrytu bainitycznego oraz austenitu szczątkowego w ilości 15% - 25%, charakteryzująca się tym, że zawiera 0,40 – 0,46 wag. % C, 7,8 - 10,0 wag. % Ni, 2,7 - 3,0 wag. % Al, 0,4 - 0,8 wag. % Mn, 0,75 – 1,00 wag. % Cu, 0,025 – 0,040 wag. % Ti. Zgłoszenie dotyczy również sposobu wytwarzania stali bainitycznej umacnianej fazą międzymetaliczną, składającej się z ferrytu bainitycznego oraz austenitu szczątkowego w ilości 15% - 25%, który polega na tym, że wlewki stali poddaje się homogenizacji z udziałem atmosfery ochronnej w temperaturze 1200°C przez minimum 1 godzinę, następnie materiał poddaje się obróbce plastycznej na gorąco, przy czym obróbka plastyczna na gorąco składa się z austenityzacji przeprowadzonej w temperaturze 840°C - 870°C w czasie nie krótszym niż 20 minut, po czym bezpośrednio po austenityzacji przeprowadza się izotermiczną obróbkę cieplną w temperaturze w zakresie 230°C – 300°C przez wskazany czas od 12 do 70 godzin, a w następnym etapie stal bainityczną poddaje się procesowi odpuszczania w temperaturze 450°C – 560°C przez 1 godzinę.

Description

Przedmiotem wynalazku jest stal bainityczna umacniana fazą międzymetaliczną oraz sposób wytwarzania wysokowytrzymałej stali bainitycznej zawierającej austenit szczątkowy, która pod wpływem oddziaływania podwyższonej temperatury charakteryzuje się z znacząco wyższą twardością wynikającą z umocnienia fazą międzymetaliczną.

Stale bainityczne ze względu na kombinację wysokich właściwości wytrzymałościowych oraz ciągliwości stały się istotną konkurencją dla konwencjonalnych stali martenzytycznych w wielu zastosowaniach przemysłowych (między innymi narzędzia do przeróbki plastycznej, elementy robocze maszyn wydobywczych, osłony balistyczne, przemysłowe szyny kolejowe w trudnych warunkach eksploatacyjnych). Stale bainityczne poddawane są niskotemperaturowej obróbce izotermicznej, która ściśle zależy od temperatury startu przemiany bainitycznej, szeroko opisanej w literaturze przedmiotu oraz w opisach patentowych PL419655A1, PL228168B1, EP2410070A1, WO2010013054A2, US20110126946A1.

Im niższa temperatura obróbki izotermicznej, tym wyższy stopień rozdrobnienia struktury wyrażony grubością płytek lub listew ferrytu bainitycznego, co istotnie wpływa na właściwości wytrzymałościowe stali bainitycznych. Zgodnie w powszechną wiedzą, wytrzymałość na rozciąganie jest odwrotnie proporcjonalna do grubości płytek lub listew ferrytu bainitycznego. W zależności od stopnia rozdrobnienia klasyfikuje się je jako stale nanobainityczne (grubość płytek ferrytu bainitycznego nie przekracza 100 nm, zazwyczaj gdy obróbka izotermiczna przeprowadzona jest w temperaturze poniżej 350°C) lub submikrometryczne (grubość płytek ferrytu bainitycznego przekracza 100 nm, ale nie przekracza 1000 nm). Ciągliwość materiału zależy natomiast od morfologii i zawartości austenitu szczątkowego. Z opublikowanych prac wynika, że zawartość około 1,5 wag.% krzemu powoduje zahamowanie wydzielania cementytu z austenitu, a austenit ten jest stabilny w temperaturze otoczenia po izotermicznej obróbce cieplnej. Podobny wpływ wykazuje również dodatek glinu, który dodatkowo przyspiesza przemianę bainityczną. Stale tej klasy zostały opisane również w ramach następujących opisów patentowych: PL234049B1, US20110126946, EP0896068, PL228168B1.

W opisie PL206237B1 wskazano, w przypadku stali niskowęglowych (do 0,25 wag.% węgla) zawartość niklu przekraczająca 4,5 wag.% nie jest uzasadniona ekonomicznie i również przy niższych zawartości niklu i glinu w zakresie 1,0:2,0 wag.% może powstawać faza międzymetaliczna NiAl. Ponadto, po procesach odpuszczania w zakresie 500:500°C następuje umocnienie wydzieleniowe. Istota stali bainitycznej będącej przedmiotem obecnego wynalazku obejmuje inną koncepcję projektową, która ukierunkowana osiągnięcie struktury bainitu ferrytycznego i austenitu szczątkowego o grubościach mieszczących się w skali nano- lub submikrometrycznej. W odróżnieniu do przedstawionego powyżej opisu patentowego, uwzględniono wyższą zawartość węgla odpowiadającą za znaczący przyrost właściwości mechanicznych i określoną zawartość dodatków stopowych, które umożliwiają stabilizację fazy międzymetalicznej NiAl w możliwie szerokim spektrum temperatur. W polskim opisie patentowym PL223219 również uwzględniono procesy umocnienia wydzieleniowego z wykorzystaniem faz międzymetalicznych. Opis ten dotyczy stali niskowęglowej do 0,09 wag.% węgla, zawierającej molibden oraz niższe zawartości glinu (0,8:1,2 wag.%).

Stal bainityczna umacniana fazą międzymetaliczną składająca się z ferrytu bainitycznego oraz austenitu szczątkowego w ilości 15-25% według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera 0,40-0,46 wag.% C; 7,8-10,0 wag.% Ni; 2,7-3,0 wag.% Al, 0,4-0,8 wag.% Mn, 0,75-1,00 wag.% Cu, 0,025-0,040 wag.% Ti.

Stal bainityczna umacniana fazą międzymetaliczną według wynalazku charakteryzuje się znacząco niższą zawartością niklu (7,8%:10,0 Ni) oraz dodatkiem miedzi (0,75%: 1,00 Cu). Ponadto w poprzednich raportach naukowych uwzględniono kobalt, który nie występuje w przedstawionym składzie chemicznym.

Sposób wytwarzania stali bainitycznej umacnianej fazą międzymetaliczną składającej się z ferrytu bainitycznego oraz austenitu szczątkowego w ilości 15-30% charakteryzuje się tym, że wlewki stali poddaje się homogenizacji z udziałem atmosfery ochronnej w temperaturze 1200°C przez minimum 1 godzinę, następnie materiał poddaje się obróbce plastycznej na gorąco w celu uzyskania oczekiwanego profilu, przy czym izotermiczna obróbka cieplna składa się z austenityzacji przeprowadzonej w temperaturze 840:870°C w czasie nie krótszym niż 20 minut, po czym bezpośrednio po austenityzacji przeprowadza się izotermiczną obróbkę cieplną w temperaturze w zakresie 230:300°C przez wskazany czas od 12 do 70 godz., a w następnym etapie stal bainityczną poddaje się procesowi odpuszczania w temperaturze 450-560°C przez 1 godz.

Korzystnie, gdy obróbka izotermiczna w temperaturze 230°C trwa minimum 70 godzin.

Korzystnie, gdy obróbka izotermiczna w temperaturze 250°C trwa minimum 55 godzin.

Korzystnie, gdy obróbka izotermiczna w temperaturze 280°C trwa minimum 16 godzin.

Korzystnie, gdy obróbka izotermiczna w temperaturze 300°C trwa minimum 12 godzin.

W przypadku pośrednich temperatur obróbki izotermicznej czas obróbki cieplnej należy wyznaczyć proporcjonalnie do powyżej przedstawionych czasów, stosując zaokrąglenie w górę. Szybkość chłodzenia pomiędzy austenityzacją a izotermiczną obróbką cieplną powinna być wyższa niż 25°C/s. W przypadku niewielkich przekrojów dopuszczalne jest hartowanie izotermiczne w ciekłych stopach cyny, większe przekroje należy obrabiać z wykorzystaniem kąpieli solnych w celu osiągnięcia wymaganej szybkości chłodzenia w rdzeniu obrabianego elementu. Struktura stali po obróbce cieplnej składa się z ferrytu bainitycznego o grubości płytek mieszczącym się w zakresie nanometrycznym (dla obróbki izotermicznej wynoszącej 230°C) lub submikrometryczne (dla obróbki izotermicznej powyżej 230°C). Udział austenitu szczątkowego mieści się w zakresie 15:25% i występuje zarówno w postaci warstwowej, jak i blokowej. Minimalna twardość w skali Vickersa po izotermicznej obróbce cieplnej wynosi min. 430 HV (przy obciążeniu 98,7 N). Twardość materiału jest odwrotnie proporcjonalna od przeprowadzonej obróbki cieplnej i wskazana wartość odnosi się do najwyżej temperatury obróbki izotermicznej. Wykazano znaczący wzrost twardości pod wpływem oddziaływania podwyższonej temperatury (od 450°C do 560°C) w czasie wynoszącym około 1 godziny. Maksymalny, około 30% przyrost twardości względem izotermicznej obróbki cieplnej związany z umocnieniem fazą międzymetaliczną występuje w zakresie 520:560°C. Przedstawiony materiał wykazuje znaczący potencjał z zastosowaniach przemysłowych, gdzie warunki pracy związane są z podwyższoną temperaturą (450:560°C) i wymagają zastosowania materiału o wysokich właściwościach wytrzymałościowych i wyższej ciągliwości w porównaniu do konwencjonalnych stali martenzytycznych. Przykładem zastosowania stali będącej przedmiotem wynalazku są systemy wtrysku paliwa, gdzie występuje podwyższona temperatura mieszcząca się w zakresie umocnienia wydzieleniowego stali.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest bliżej w przykładach jego realizacji.

Przykład 1

Wlewki stali poddaje się homogenizacji z udziałem atmosfery ochronnej w temperaturze 1200°C przez 1 godzinę, następnie materiał poddaje się obróbce plastycznej na gorąco, a następnie obróbce cieplnej składającej się z austenityzacji przeprowadzonej w temperaturze 840°C w czasie 20 minut, po czym bezpośrednio po austenityzacji przeprowadza się izotermiczną obróbkę cieplną w temperaturze w zakresie 300°C przez czas 12 godz. z zastosowaniem kąpieli solnych. W wyniku sposobu z przykładu pierwszego otrzymano stal bainityczną o submikrometrycznych wymiarach składników struktury podatną do umocnienia fazą międzymetaliczną o następującym składzie: 0,46 wag.% C; 10,0 wag.% Ni, 3,0 wag.% Al, 0,8 wag.% Mn, 1,00 wag.% Cu, 0,040 wag.% Ti.

Następnie stal bainityczną poddaje się procesom odpuszczania w temperaturze 560°C przez 1 godz. W wyniku sposobu z przykładu pierwszego stal bainityczna zostanie umocniona fazą międzymetaliczną NiAl. Odpuszczalne jest również zastosowanie warunków pracy obrobionego cieplnie elementu ze stali bainitycznej wytworzonej w wyniku sposobu pierwszego w podwyższonej temperaturze, która będzie odpowiadać procesom odpuszczania.

Przykład 2

Wlewki stali poddaje się homogenizacji z udziałem atmosfery ochronnej w temperaturze 1200°C przez 1 godzinę, następnie materiał poddaje się obróbce plastycznej na gorąco, a następnie obróbce cieplnej składającej się z austenityzacji przeprowadzonej w temperaturze 870°C w czasie 20 minut, po czym bezpośrednio po austenityzacji przeprowadza się izotermiczną obróbkę cieplną w temperaturze w zakresie 230°C przez czas 70 godz. z zastosowaniem ciekłych stopów cyny. W wyniku sposobu z przykładu pierwszego otrzymano stal bainityczną o nanometrycznych wymiarach składników struktury podatną do umocnienia fazą międzymetaliczną o następującym składzie: 0,40 wag.% C; 7,8 wag.% Ni, 2,7 wag.% Al, 0,4 wag.% Mn, 0,75 wag.% Cu, 0,026 wag.% Ti. Następnie stal bainityczną poddaje się procesom odpuszczania w temperaturze 450°C przez 1 godz. W wyniku sposobu z przykładu pierwszego stal bainityczna zostanie umocniona fazą międzymetaliczną NiAl. Odpuszczalne jest również zastosowanie warunków pracy obrobionego cieplnie elementu ze stali bainitycznej wytworzonej w wyniku sposobu pierwszego w podwyższonej temperaturze, która będzie odpowiadać procesom odpuszczania.

Przykład 3

Wlewki stali poddaje się homogenizacji z udziałem atmosfery ochronnej w temperaturze 1200°C przez 1 godzinę, następnie materiał poddaje się obróbce plastycznej na gorąco, a następnie obróbce cieplnej składającej się z austenityzacji przeprowadzonej w temperaturze 850°C w czasie 30 minut, po czym bezpośrednio po austenityzacji przeprowadza się izotermiczną obróbkę cieplną w temperaturze w zakresie 250°C przez czas 55 godz. z wykorzystaniem ciekłych stopów cyny. W wyniku sposobu z przykładu trzeciego otrzymano stal bainityczną o nanometrycznych wymiarach składników struktury umacnianą fazą międzymetaliczną o następującym składzie: 0,43 wag.% C; 8,0 wag.% Ni, 2,7 wag.% Al, 0,5 wag.% Mn, 0,8 wag.% Cu, 0,030 wag.% Ti. Następnie stal poddaje się procesom odpuszczania w temperaturze 520°C przez 1 godz. W wyniku sposobu z przykładu trzeciego stal bainityczna będzie charakteryzować się największym stopniem umocnienia, wynoszącym około 30% w stosunku do stanu po izotermicznej obróbce cieplnej.

Claims (6)

1. Stal bainityczna umacniana fazą międzymetaliczną składająca się z ferrytu bainitycznego oraz austenitu szczątkowego w ilości 15-25% znamienna tym, że zawiera 0,40-0,46 wag.% C; 7,8-10,0 wag.% Ni; 2,7-3,0 wag.% Al, 0,4-0,8 wag.% Mn, 0,75-1,00 wag.% Cu, 0,025-0,040 wag.% Ti.

2. Sposób wytwarzania stali bainitycznej umacnianej fazą międzymetaliczną składającej się z ferrytu bainitycznego oraz austenitu szczątkowego w ilości 15-25% znamienny tym, że wlewki stali poddaje się homogenizacji z udziałem atmosfery ochronnej w temperaturze 1200°C przez minimum 1 godzinę, następnie materiał poddaje się obróbce plastycznej na gorąco, przy czym obróbka plastyczna na gorąco składa się z austenityzacji przeprowadzonej w temperaturze 840:870°C w czasie nie krótszym niż 20 minut, po czym bezpośrednio po austenityzacji przeprowadza się izotermiczną obróbkę cieplną w temperaturze w zakresie 230:300°C przez wskazany czas od 12 do 70 godz., a w następnym etapie stal bainityczną poddaje się procesowi odpuszczania w temperaturze 450-560°C przez 1 godz.

3. Sposób wytwarzania stali bainitycznej według zastrz. 2 znamienny tym, że obróbka izotermiczna w temperaturze 230°C trwa minimum 70 godzin.

4. Sposób wytwarzania stali bainitycznej według zastrz. 2 znamienny tym, że obróbka izotermiczna w temperaturze 250°C trwa minimum 55 godzin.

5. Sposób wytwarzania stali bainitycznej według zastrz. 2 znamienny tym, że obróbka izotermiczna w temperaturze 280°C trwa minimum 16 godzin.

6. Sposób wytwarzania stali bainitycznej według zastrz. 2 znamienny tym, że obróbka izotermiczna w temperaturze 300°C trwa minimum 12 godzin.