RS61682B1 - Proizvodnja metalnog čelika livenjem slabova - Google Patents

Description

Opis

Oblast pronalaska

[0001] Ova prijava se bavi legurama metala i metodama prerade sa primenom na metode livenja slabova sa koracima naknadne obrade ka proizvodnji limova. Ovi metali pružaju jedinstvene strukture i pokazuju napredne kombinacije svojstava visoke čvrstoće i/ili visoke duktilnosti.

Pozadina pronalaska

[0002] Čovečanstvo koristi čelike najmanje 3.000 godina i široko se koriste u industriji, čineći preko 80 % težinskih svih metalnih legura u industrijskoj upotrebi. Postojeća tehnologija čelika se zasniva na manipulisanju eutektoidnom transformacijom. Prvi korak je zagrevanje legure u jednofaznom regionu (austenit), a zatim hlađenje ili kaljenje čelika različitim brzinama hlađenja da bi se formirale višefazne strukture koje su često kombinacije ferita, austenita i cementita. U zavisnosti od na čina hlađenja čelika, može se dobiti širok spektar karakterističnih mikrostruktura (tj. perlit, beinit i martenzit) sa širokim spektrom svojstava. Ova manipulacija eutektoidnom transformacijom dala je širok izbor danas dostupnih čelika.

[0003] Trenutno u svetu postoji preko 25 000 ekvivalenata u 51 različitih grupa metalnih legura železa. Za čelik, koji se proizvodi u obliku lima, mogu se primeniti široke klasifikacije na osnovu karakteristika zatezne čvrstoće. Čelici niske čvrstoće (LSS) ovde se mogu razumeti kao oni koji imaju zateznu čvrstoću manju od 270 MPa i uključuju vrste kao što su bezintersticijski (eng. Interstitial-Free) i niskougljenični čelici. Čelici visoke čvrstoće (HSS) ovde se mogu razumeti kao oni koji imaju zateznu čvrstoću od 270 do 700 MPa i uključuju vrste kao što su niskolegirani čelici visoke čvrstoće, visokokvalitetni bezintersticijski i čelici koji površinski otvrdnjavaju (eng. bake hardennable). Pod Naprednim čelicima visoke čvrstoće (AHSS) se ovde podrazumevaju oni sa zateznom čvrstoćom većom od 700 MPa i uključuju vrste kao što su MS (eng. martensitic steels), DP (eng. dual phase) čelici, TRIP (eng. transformation induced plasticity) i CP (eng. complex phase) čelici. Kako nivo čvrstoće raste, duktilnost čelika uglavnom opada. Na primer, LSS, HSS i AHSS mogu pokazivati izduženja pri zatezanju na nivoima od 25% do 55%, 10% do 45% i 4% do 30%, respektivno.

[0004] Proizvodnja čeličnog materijala u Sjedinjenim Državama trenutno iznosi oko 100 miliona tona godišnje u vrednosti od oko 75 milijardi dolara. Prema Američkom institutu za gvožđe i čelik, 24% američke proizvodnje čelika se koristi u automobilskoj industriji. Ukupan udeo čelika u prosečnom vozilu za 2010. godinu je bio oko 60%. Novi napredni čelici visoke čvrstoće (AHSS) čine 17% vozila, a očekuje se da će do 2020. narasti do 300%.

[Američki institut za gvožđe i čelik. (2013). Profil 2013. Vašington, DC]

[0005] Kontinualno livenje, takođe zvano konti-livenje, je postupak u kojem rastopljeni metal očvršćava u „poluproizvod“ gredicu, blum ili slab za naknadno valjanje u završnim valjačkim stanovima. Pre uvođenja kontinualnog livenja pedesetih godina, čelik se izlivao u stacionarne kalupe da bi se formirali ingoti. Od tada je „kontinualno livenje“ evoluiralo da bi se postigli poboljšan prinos, kvalitet, produktivnost i ekonomičnost. Omogućava jeftiniju proizvodnju metalnih profila sa boljim kvalitetom, usled ni žih troškova kontinuirane, standardizovane proizvodnje proizvoda, kao i obezbeđivanje povećane kontrole nad procesom kroz automatizaciju. Ovaj postupak se najčešće koristi za livenje čelika (u smislu tonaže). Kontinualno livenje slabova bilo na liniji za toplo valjanje ili naknadnim odvojenim toplim valjanjem su va žni koraci naknadne obrade za proizvodnju lima u koturu. Debeli slbovi se obično izlivaju u debljinama od 150 do 500 mm, a zatim se ostavljaju da se ohlade na sobnu temperaturu. Naknadno toplo valjanje slabova nakon predgrevanja u tunelskim pećima se vrši u nekoliko faza, kako pomoću valjaka za grubu obradu, tako i pomoću valjaka za toplo valjanje, da bi se došlo do debljina obično od 2 do 10 mm debljine. Livenje tankih slabova započinje debljinom odlivaka od 20 do 150 mm, a zatim je obično praćeno linijskim toplim valjanjem u nekoliko koraka u nizu da bi se došlo do debljina obično od 2 do 10 mm. Postoje mnoge varijacije ove tehnike kao što je livenje u debljinama od 100 do 300 mm za proizvodnju slabova srednje debljine koji se naknadno toplo valjaju. Pored toga, poznati su i drugi postupci livenja, uključujući postupke livenja sa jednostrukim i dvostrukim trakama koji proizvode odlivenu debljinu u opsegu od 5 do 100 mm i koji se obično toplo valjaju na liniji da bi se smanjila merna debljina profila na ciljani nivo za proizvodnju kotura. U automobilskoj industriji, oblikovanje delova od lima u koturu se postiže kroz mnoge procese, uključujući savijanje, oblikovanje toplim i hladnim presovanjem, izvlačenje ili dalje valjanje oblika. US 2013/233452 A1, US 8 257 512 B1, US 2001/004910 A1 i WO 2013/119334 A1 opisuju metode iz prethodnog stanja tehnike za obezbeđivanje čelika.

Rezime

[0006] Ovo otkriće odnosi se na postupak proizvodnje. Postupak obuhvata

a. snabdevanje metalnom legurom koja sadrži Fe na nivou od 61.0 do 88.0 atomskih procenata, Si na nivou od 0.5 do 9.0 atomskih procenata, Mn na nivou od 0.9 do 19.0 atomskih procenata, Ni na nivou od 0.1 do 9.0 atomskih procenata, Cr na nivou od 0.1 do 19.0 atomskih procenata, C na nivou od 0.1 do 4.0 atomskih procenata, opciono Cu na nivou od 0.1 do 4.0 atomskih procenata, i nečistoće, pri čemu navedena metalna legura ne sadrži bor,

b. topljenje pomenute legure metala i hlađenje i očvršćavanje i formiranje očvrsnute legure koja ima debljinu veću od ili jednaku 20 mm pa do 500 mm i granicu tečenja od 300 MPa do 600 MPa, pri čemu navedena očvrnuta legura ima tačku topljenja (Tm)

c. zagrevanje pomenute očvrsnute legure na temperaturu od 700 °C do ispod navedene Tm legure -6 4 i smanjenje navedene debljine pomenute očvrsnute legure pri brzini deformacije od 10 do 10 s<-1>da bi se dobila prva rezultujuća legura koja ima granicu tečenja 200 MPa do 1000 MPa; i

d. naprezanje prve rezultujuće legure iznad navedene granice tečenja, pri čemu se dobija druga rezultujuća legura debljine 0.1 mm do 25.0 mm, pri čemu druga rezultujuća legura ima zateznu čvrstoću od 400 MPa do 1825 MPa i izduženje od 2.4 do 78.1%.

[0007] Prema tome, legure proizvedene ovim postupkom imaju primenu u postupcima kontinualnog livenja, uključujući livenje trake, livenje tanke trake/dvostrukim valjcima, livenje tankih slabova i livenje debelih slabova. Legure nalaze posebnu primenu kod vozila, kao što su karoserije vozila, teške bušaće šipke, bušaće cevi, zaštitne cevi, spojnice, isplačna glava, rezervoari za skladištenje komprimovanog gasa ili boce za tečni prirodni gas.

Kratak opis crteža

[0008] Detaljan opis u nastavku se može bolje razumeti uz pozivanje na prateće Slike koje su date u ilustrativne svrhe i ne treba da ograničavaju bilo koji aspekt ovog pronalaska.

Sl. 1 ilustruje dijagram toka procesa kontinualnog livenja slabova.

Sl. 2 ilustruje primer dijagrama toka procesa livenja tankih slabova koji prikazuje korake proizvodnje čeličnog lima.

Sl. 3 ilustruje postupak toplog (hladnog) valjanja.

Sl. 4 ilustruje formiranje čeličnih legura Klase 1.

Sl. 5 ilustruje model krive naprezanje - deformacija koja odgovara ponašanju legure Klase 1.

Sl. 6 ilustruje formiranje čeličnih legura Klase 2.

Sl. 7 ilustruje model krive naprezanje - deformacija koja odgovara ponašanju legure Klase 2.

Sl. 8 ilustruje strukture i mehanizme u legurama koje su primenljive za ovde opisanu proizvodnju limova identifikacijom Mehanizma #0 (Dinamičko Nanofazno Rafinisanje) koja je poželjno primenljivo na Modalnu Strukturu (Struktura #1) koja se formira u debljinama većim ili jednakim 2.0 mm ili pri brzinama hlađenja manjim ili jednakim 250 K/s.

Sl. 9 ilustruje primer krive naprezanje - deformacija legure 63 bez bora u toplo valjanom stanju.

Sl. 10 BSE fotografije mikrostrukture u Leguri 65 livenoj u debljini 50 mm: (a) u livenom stanju; (b) nakon tolog valjanja na 1250 °C; (c) nakon hladnog valjanja na debljinu 1.2 mm.

Detaljan opis

Kontinualno Livenje Slabova

[0009] Slab je dužina metala pravougaonog preseka. Slabovi se mogu proizvesti direktno kontinualnim livenjem i obično se dalje obrađuju različitim postupcima (toplo/hladno valjanje, završno valjanje, termička obrada šarži, kontinualna termička obrada itd.). Uobičajeni finalni proizvodi uključuju lim, ploče, metalne trake i cevi.

Opis Livenja Debelih Slabova

[0010] Livenje debelih slabova je postupak u kojem rastopljeni metal očvršćava u „poluproizvod“ slab za naknadno valjanje na završnim valjačkim stanovima. U postupku kontinualnog livenja prikazanom na Sl. 1, rastopljeni čelik teče iz lonca, kroz ulivnik u kalup. Kada se nađe u kalupu, rastopljeni čelik se hladi na vodom hlađenim bakarnim zidovima kalupa i formira čvrstu koru. Pogonski valjci niže u mašini neprekidno izvlače koru iz kalupa određenom brzinom ili „brzinom livenja“ koja se podudara sa protokom dolaznog metala, tako da proces idealno teče u stabilnom stanju. Ispod izlaza iz kalupa, čelična očvrsnuta kora služi kao kontejner za podršku preostale tečnosti. Valjci pritiskaju čelik kako bi se smanjilo ispupčenje zbog ferostatičkog pritiska. Vodeni i vazdušni sprejevi hlade površinu materijala između valjaka kako bi održali njegovu površinsku temperaturu dok rastopljeno jezgro ne očvrsne. Nakon što centar potpuno očvrsne (na „metalurškoj dužini“), odliveni materijal se može seći na slabove tipične debljine od 150 do 500 mm. Da bi se od slabova proizveo tanki lim, moraju se podvrgnuti toplom valjanju uz znatnu redukciju što je deo naknadne obrade. Toplo valjanje se može izvoditi i na valjačkim stanovima za grubu obradu koji su često reverzibilni i omogućavaju višestruke prolaze, kao i na završnim linijama sa tipično 5 do 7 valjačkih stanova u seriji. Posle toplog valjanja, rezultujuća debljina lima je obično u rasponu od 2 do 5 mm. Dalja redukcija profila bi se normalno dogodila prilikom naknadnog hladnog valjanja.

Opis Livenja Tankih Slabova

[0011] Šema postupka livenja tankih slabova je prikazana na Sl. 2. Proces livenja tankih slabova mo že se podeliti u tri faze. U fazi 1, tečni čelik se gotovo istovremeno lije i valja. Proces očvršćavanja započinje potiskivanjem tečnog rastopa kroz kalup od bakra ili legure bakra da se proizvede početna debljina obično od 50 do 110 mm debljine, ali ona može varirati (tj. 20 do 150 mm) zavisno od obradivosti tečnog metala i brzine proizvodnje. Gotovo odmah po izlasku iz kalupa i dok je unutrašnje jezgro čeličnog slaba još uvek tečno, on se podvrgava redukciji pomoću višestepenog valjačkog stana koja značajno smanjuje debljinu na 10 mm u zavisnosti od željene krajnje debljine lima. U fazi 2, čelični proizvod se zagreva prolaskom kroz jednu ili dve indukcione peći i tokom ove faze se homogenizuju temperaturni profil i metalur ška struktura. U fazi 3, ploča se i dalje valja do željene krajnje merne debljine koja može biti u opsegu debljine 0.5 do 15 mm. Obično, tokom procesa toplog valjanja, redukcija profila će se vršiti u 5 do 7 koraka, pošto se lim serijski smanjuje prolaskom kroz 5 do 7 valjačkih stanova. Odmah nakon valjanja, traka se hladi na izlaznom stolu da bi se kontrolisao razvoj konačne mikrostrukture lima pre namotavanja u čelični kotur.

[0012] Iako je trostepeni postupak oblikovanja lima u livenju tankih slabova deo procesa, odgovor ovde opisanih legura na ove faze je jedinstven na osnovu ovde opisanih mehanizama i tipova struktura i rezultujućih novih kombinacija svojstava.

Metode Naknadne Obrade

Toplo valjanje

[0013] Toplo valjani čelik se formira u oblik dok je u crvenom usijanju, a zatim se ostavlja da se ohladi. Ravno valjanje je najosnovniji oblik valjanja sa početnim i završnim materijalom koji ima pravougaoni presek. Šematski prikaz postupka valjanja metalnih limova je predstavljen na Sl. 3. Toplo valjanje je deo proizvodnje limova u cilju redukcije debljine lima prema željenim vrednostima korišćenjem povećane duktilnosti lima na povišenoj temperaturi kada se može postići visok nivo redukcije. Vruće valjanje može biti deo postupka livenja kada je jedan (livenje tankih limova) ili više (livenje tankih slabova) valjačkih stanova postavljeno u liniju. U slučaju livenja debelih (Tradicionalno) slabova, slab se prvo predgreje u tunelskoj peći, a zatim se kreće kroz niz valjačkih stanova (Slika 3). Za proizvodnju lima ciljane debljine, toplo valjanje je deo naknadne obrade na odvojenim Proizvodnim Linijama Toplih Valjaonica. Budu ći da se usijani čelik skuplja prilikom hlađenja, površina metala je pomalo hrapava i debljina može varirati nekoliko hiljaditih delova inča. Obično je hladno valjanje sledeći korak za poboljšanje kvaliteta finalnog proizvoda od lima.

Hladno valjanje

[0014] Hladno valjani čelik se pravi propuštanjem hladnog čeličnog materijala između teških valjaka koji sabijaju metal do njegovog konačnog oblika i dimenzija. To je uobičajeni korak naknadne obrade tokom proizvodnje limova kada se mogu koristiti različiti valjački stanovi za hladno valjanje u zavisnosti od svojstava materijala, cilja hladnog valjanja i ciljanih parametara. Kada se lim podvrgne hladnom valjanju, njegova čvrstoća, tvrdoća kao i granica elastičnosti se povećavaju. Međutim, duktilnost metalnog lima se smanjuje usled deformacionog ojačavanja zbog čega metal postaje krtiji. Kao takav, metal se mora s vremena na vreme žariti/zagrevati između prolaza tokom postupka valjanja kako bi se uklonili neželjeni efekti hladne deformacije i povećala sposobnost oblikovanja metala. Stoga postizanje velikog smanjenja debljine mo že biti skupo i dugotrajno. U mnogim slučajevima se koriste linije sa više valjačkih stanova za hladno valjanje sa žarenjem na liniji, pri čemu se lim kratkotrajno (obično 2 do 5 minuta) izlaže povišenoj temperaturi indukcionim zagrevanjem dok se kreće duž valjačke linije. Hladno valjanje omogućava mnogo precizniju tačnost dimenzija, a finalni pljosnati proizvodi imaju glatku povr šinu (bolju površinsku obradu) od toplo valjanih.

Termička obrada

[0015] Da bi se postigla ciljana mehanička svojstva, obično se primenjuje naknadna obrada limova. Obično se žarenje proizvoda od čeličnog lima u komercijalnim razmerama izvodi na dva načina: žarenje šarže ili kontinuirano žarenje. Tokom procesa žarenja šarže, masivni koturovi lima se polako zagrevaju i hlade u pećima sa kontrolisanom atmosferom. Vreme žarenja može biti od nekoliko sati do nekoliko dana. Zbog velike mase kalema koja može biti od 5 do 25 tona, unutrašnji i spoljašnji delovi kalema će imati različite termičke istorije u šaržnoj peći za žarenje, što može dovesti do razlika u rezultujućim svojstvima. U slučaju kontinuiranog postupka žarenja, nenamotani čelični limovi prolaze kroz opremu za grejanje i hlađenje tokom nekoliko minuta. Oprema za grejanje je obično dvostepena peć. Prva faza je visoko-temperaturna termička obrada koja obezbeđuje rekristalizaciju mikrostrukture. Druga faza je termička obrada na niskim temperaturama i nudi veštačko starenje mikrostrukture. Pravilna kombinacija ove dve faze kompletne termičke obrade tokom neprekidnog žarenja obezbeđuje ciljana mehanička svojstva. Prednosti kontinuiranog žarenja u odnosu na konvencionalno serijsko žarenje su sledeće: poboljšana uniformnost proizvoda; čistoća i oblik površine; sposobnost proizvodnje širokog spektra vrsta čelika.

Strukture I Mehanizmi

[0016] Sledeća rasprava o čeliku Klase 1 i Klase 2 služi samo za pružanje osnovnih informacija i nije deo pronalaska koji je dat u patentnim zahtevima. Ovde opisane čelične legure su takve da su inicijalno sposobne da formiraju ono što je ovde opisano kao Klasa 1 ili Klasa 2, koje su poželjno kristalne (ne-staklaste) sa prepoznatljivom veličinom kristalnog zrna i morfologijom.

Klasa 1 čelika

[0017] Formiranje čelika Klase 1 je ovde ilustrovano na Sl. 4. Kao što je tamo prikazano, inicijalno se formira modalna struktura koja je rezultat započinjanja sa tečnim rastopom legure i očvršćavanja usled hladenja, što obezbeđuje nukleaciju i rast pojedinih faza sa određenim veličinama zrna. Stoga se ovde upućivanje na modalnu može razumeti kao struktura koja ima najmanje dve distribucije veličine zrna. Veličina zrna se ovde može razumeti kao veličina pojedinačnog kristala određene faze, poželjno identifikovana metodama poput skenirajuće elektronske mikroskopije ili transmisione elektronske mikroskopije. Prema tome, Struktura #1 čelika Klase 1 se poželjno može postići metodama prerade bilo u laboratorijskim razmerama kao što je prikazano i/ili metodama u industrijskim razmerama koje uključuju metodologiju obrade sa hlađenjem površine kao što je obrada dvostrukim valjcima, livenje tankih slabova ili livenje debelih slabova. Zbog toga će modalna struktura čelika Klase 1 u početku, kada se ohladi iz rastopa, pokazivati sledeće veličine zrna: (1) veličina zrna osnove od 500 nm do 20.000 nm koja sadrži austenit i/ili ferit; (2) veličina boridnih zrna od 25 nm do 5000 nm (tj. nemetalna zrna kao što je M2B gde je M metal i on je kovalentno vezan sa B). Boridna zrna takođe mogu biti poželjno faze tipa „blokiranja“, što je referenca za karakteristiku da će zrna osnove efikasno biti stabilizovana blokirajućim fazama koje sprečavaju rast zrna na povišenoj temperaturi. Napominjemo da su identifikovana zrna metalnih borida koja pokazuju stehiometriju M2B, ali je moguća i druga stehiometrija koja može da obezbedi blokiranje, uključujući M3B, MB (M1B1), M23B6i M7B3.

[0018] Modalna Struktura Čelika Klase 1 se može deformisati termo-mehaničkim procesima i podvrgnuti različitim termičkim obradama, što rezultira određenim varijacijama u svojstvima, ali modalna struktura se može održati.

[0019] Kada je gore navedeni Čelik Klase 1 izložen zateznom naprezanju, uočeni dijagram naprezanja i deformacije je prikazan na Sl. 5. Stoga se primećuje da modalna struktura prolazi ono što je identifikovano kao Dinamičko Taloženje Nanofaza što dovodi do drugog tipa strukture za Čelik Klase 1. Takvo Dinamičko Taloženje Nanofaza se prema tome pokreće kada legura doživi tečenje pod naprezanjem, i utvrđeno je da se granica tečenja Čelika Klase 1 koji prolaze kroz Dinamičko Taloženje Nanofaza može poželjno javiti na 300 MPa do 840 MPa. Shodno tome, može se uvažiti da se Dinamičko Taloženje Nanofaza javlja zbog primene mehaničkog naprezanja koje premašuje tako naznačenu granicu tečenja. I samo Dinamičko Taloženje Nanofaza se može razumeti kao formiranje sledeće faze koja može biti identifikovana u Čeliku Klase 1 koja se naziva taložnom fazom sa odgovarajućom veličinom zrna. To jest, rezultat takvog Dinamičkog Taloženja Nanofaza je formiranje legure koja i dalje pokazuje prepoznatljivu veličinu zrna osnove od 500 nm do 20000 nm, boridno blokirajuće zrno veličine 20 nm do 10000 nm, zajedno sa stvaranjem zrna taložnih heksagonalnih faza veličine od 1.0 nm do 200 nm. Kao što je gore navedeno, veličina zrna se stoga ne povećava kada je legura pod naprezanjem, ali kao što je napomenuto dovodi do razvoja taložnih zrna.

[0020] Pozivanje na heksagonalne faze se može razumeti kao diheksagonalna piramidalna klasa heksagonalne faze sa P63mc prostornom grupom (#186) i/ili ditrigonalna dipiramidalna klasa sa heksagonalnom P6bar2C prostornom grupom (#190). Pored toga, mehanička svojstva takve druge vrste strukture Čelika Klase 1 su takva da se uočava da je zatezna čvrstoća u opsegu od 630 MPa do 1150 MPa, sa izduženjem od 10 do 40%. Osim toga, struktura drugog tipa Čelika Klase 1 je takva da pokazuje koeficijent deformacionog ojačavanja između 0.1 do 0.4 koji je gotovo ravan nakon prolaska izražene granice tečenja. Koeficijent deformacionog n

ojačavanja je referenca za vrednost n u formuli σ = Kε , gde σ predstavlja naprezanje primenjeno na materijal, ε je deformacija i K je koeficijent čvrstoće. Vrednost eksponenta deformacionog ojačavanja n leži između 0 i 1. Vrednost 0 znači da je legura savršeno plastična čvrsta supstanca (tj. materijal podleže nepovratnim promenama usled primenjene sile), dok vrednost 1 predstavlja 100% elastičnu čvrstu supstancu (tj. materijal podleže reverzibilnim promenama usled primenjene sile). Tabela 1 u nastavku daje poređenje i rezime performansi za ovde opisani Čelik Klase 1.

Tabela 1 Poređenje Strukture i Performansi Čelika Klase 1

Čelik Klase 2

[0021] Formiranje Čelika Klase 2 je ovde ilustrovano na Sl. 6. Čelik Klase 2 takođe ovde može biti formiran od identifikovanih legura, što uključuje dva nova tipa strukture nakon započinjanja sa Strukturom #1, Modalna struktura, praćena sa dva nova mehanizma koji su ovde identifikovani kao Statičko Nanofazno Rafinisanje i Dinamičko Nanofazno Ojačavanje. Tipovi strukture za Čelik Klase 2 su ovde opisani kao Nanomodalna Struktura i Nanomodalna Struktura Visoke Čvrstoće. Shodno tome, Klasa 2 Čelika u ovom dokumentu se može okarakterisati na sledeći način: Struktura #1 - Modalna struktura (Korak #1), Mehanizam #1 - Statičko Nanofazno Rafinisanje (Korak #2), Struktura #2 - Nanomodalna Struktura (Korak #3), Mehanizam #2 -Dinamičko Nanofazno Ojačavanje (Korak #4) i Struktura #3 - Nanomodalna Struktura Velike Čvrstoće (Korak #5).

[0022] Kao što je tamo prikazano, Struktura #1 je prvobitno formirana u kojoj je Modalna Struktura rezultat započinjanja sa tečnim rastopom legure i očvršćavanja hlađenjem, što obezbeđuje nukleaciju i rast pojedinih faza sa određenim veličinama zrna. Veličina zrna se ovde se ponovo može shvatiti kao veličina pojedinačnog kristala određene faze, koja poželjno može biti identifikovana metodama kao što su skenirajuća elektronska mikroskopija ili transmisiona elektronska mikroskopija. Shodno tome, Struktura #1 Čelika Klase 2 se može poželjno postići preradom bilo prema procedurama u laboratorijskim razmerama kao što je prikazano i/ili prema metodama u industrijskim razmerama koji uključuju metodologiju obrade sa hlađenjem površine kao što je obrada dvostrukim valjcima ili livenje tankih slabova.

[0023] Modalna Struktura Čelika Klase 2 će, prema tome, inicijalno pokazati, kada se ohladi iz rastopa, sledeće veličine zrna: (1) veličinu zrna osnove od 200 nm do 200 000 nm koja sadrži austenit i/ili ferit; (2) veličinu zrna borida, ako postoje, od 10 nm do 5000 nm (tj. nemetalna zrna kao što je M2B gde je M metal i kovalentno je vezan za B). Zrna borida takođe poželjno mogu biti faze za „blokiranje“ koje se odnosi na karakteristiku da će zrna osnove biti efikasno stabilizovana blokirajućim fazama koje sprečavaju rast zrna na povišenoj temperaturi. Treba napomenuti da je identifikovano da zrna metalnih borida pokazuju stehiometriju M2B, ali je moguća i druga stehiometrija koja može da obezbedi blokiranje, uključujući M3B, MB (M1B1), M23B6 i<M7B3 i na koje gore navedeni Mehanizmi #1 ili #2 ne utiču. Pozivanje na veličinu zrna ponovo treba shvatiti kao>veličinu pojedinačnog kristala određene faze, poželjno identifikovane metodama kao što su skenirajućaelektronska mikroskopija ili transmisiona elektronska mikroskopija. Osim toga, Struktura #1 čelika Klase 2 ovde sadrži austenit i/ili ferit zajedno sa takvim boridnim fazama.

[0024] Na Sl. 7 je prikazana kriva naprezanje deformacija koja predstavlja ovde opisane čelične legure koje su podvrgnute deformacionom ponašanju čelika Klase 2. Poželjno je da se prvo formira Modalna Struktura (Struktura #1), a zatim nakon formiranja, modalna struktura se sada može jedinstveno doraditi kroz Mehanizam #1, koji je mehanizam Statičkog Nanofaznog Rafinisanja, koji dovodi do Strukture #2. Statičko Nanofazno Rafinisanje je referenca na karakteristiku da se veličine zrna osnove Strukture #1 koje su u početku u opsegu od 200 nm do 200000 nm smanjuju kako bi se dobila Struktura 2 koja ima veličine zrna osnove koje su obično u opsegu 50 nm do 5000 nm. Napominjemo da boridna blokirajuća faza, ako postoji, može značajno promeniti veličinu zrna u nekim legurama, pošto je dizajnirana da spreči rast zrna osnove tokom termičkih obrada. Zbog prisustva ovih boridnih blokirajućih mesta, kretanje granica zrna koje dovodi do rasta zrna bi moglo biti usporeno postupkom koji se naziva Zenerovo blokiranje (eng. Zener pinning) ili (eng. Zener drag). Dakle, dok rast zrna osnove može biti energetski povoljno zbog smanjenja ukupne površine između faza, prisustvo blokirajuće boridne faze će se suprotstaviti ovoj pokretačkoj sili ogrubljavanja strukture usled visokih međufaznih energija ovih faza.

[0025] Karakteristika Statičkog Nanofaznog Rafinisanja (Mehanizam #1) u Klasi 2 čelika, ako su prisutni boridi, je takva da faza austenita u mikronskoj skali (gama-Fe) za koju je zabeleženo da je u opsegu od 200 nm do 200 000 nm se delimično ili u potpunosti transformiše u nove faze (npr. ferit ili alfa-Fe) na povišenoj temperaturi. Zapreminski udeo ferita (alfa-gvožđa) koji je inicijalno prisutan u modalnoj strukturi (Struktura 1) čelika Klase 2 iznosi 0 do 45%. Zapreminski udeo ferita (alfa-gvožđa) u Strukturi #2 kao rezultat Statičkog Nanofaznog Rafinisanja (Mehanizam #2) je obično od 20 do 80% na povišenoj temperaturi, a zatim se transformiše opet u austenit (gama-gvožđe) nakon hlađenja da bi se na sobnoj temperaturi proizvelo obično od 20 do 80% austenita. Poželjno je da se statička transformacija dogodi tokom termičke obrade na povišenoj temperaturi i stoga uključuje jedinstveni mehanizam rafinisanja, jer je rast zrna, a ne rafinisanje zrna, uobičajeni odgovor materijala na povišenu temperaturu.

[0026] Prema tome, ako su prisutni boridi, kod ovde opisanih legura Čelika Klase 2 se ne javlja rast zrna tokom mehanizma Statičkog Nanofaznog Rafinisanja. Struktura #2 je jedinstveno sposobna da se transformiše u Strukturu #3 tokom Dinamičkog Nanofaznog Ojačavanja i kao rezultat toga se formira Struktura #3 koja pokazuje vrednosti zatezne čvrstoće u opsegu od 400 do 1825 MPa sa ukupnim izduženjem od 2.4 do 78.1%.

[0027] U zavisnosti od hemijskog sastava legura, talozi u nanorazmerama mogu nastati tokom Stati čkog Nanofaznog Rafinisanja i naknadnog termičkog procesa u nekim od nerđajućih čelika visoke čvrstoće. Nanotalozi su u opsegu od 1 nm do 200 nm, sa glavninom (> 50%) ovih faza veličine 10 ∼ 20 nm, koje su mnogo manje od zrna osnove ili blokirajuće boridne faze formirane u Strukturi #1 za usporavanje rasta zrna osnove kada je prisutna. Takođe, tokom Statičkog Nanofaznog Rafinisanja je utvrđeno da su zrna borida, ako su prisutna, u opsegu veličina od 20 do 10000 nm.

[0028] Proširujući gore navedeno, u slučaju ovde opisanih legura koje obezbeđuju Čelik Klase 2, kada takve legure pređu svoju granicu tečenja, dolazi do plastične deformacije pri konstantnom naprezanju koja je praćena dinamičkom faznom transformacijom koja vodi ka stvaranju Strukture #3. Preciznije, nakon što se indukuje dovoljno naprezanje, dolazi do tačke prevoja gde se nagib krive napona prema deformaciji menja i povećava (Slika 7), a čvrstoća raste sa naprezanjem što ukazuje na aktiviranje Mehanizma #2 (Dinamičko Nanofazno Ojačavanje).

[0029] Sa daljim istezanjem tokom Dinamičkog Nanofaznog Ojačavanja, čvrstoća nastavlja da raste, ali uz postepeno smanjenje vrednosti koeficijenta deformacionog oja čavanja sve do blizu loma. Dolazi do izvesnog deformacionog omekšavanja, ali samo u blizini tačke loma, što može biti posledica redukcije lokalizovane površine poprečnog preseka na vratu. Imajte na umu da transformacija ojačavanja koja se dešava pri naprezanju materijala pod naponom generalno defini še Mehanizam #2 kao dinamički proces koji dovodi do Strukture #3. Pod dinamičkim se podrazumeva da se proces može dogoditi primenom naprezanja koje premašuje granicu tečenja materijala. Zatezna svojstva koja se mogu postići za legure koje postižu Strukturu 3 uključuju vrednosti zatezne čvrstoće u rasponu od 400 do 1825 MPa i ukupnog izduženja od 2.4% do 78.1%. Postignuti nivo zateznih svojstava takođe zavisi od količine transformacije koja se javlja sa povećanjem deformacije koja odgovara karakterističnoj krivoj deformacija naprezanje za Čelik Klase 2.

[0030] Dakle, u zavisnosti od nivoa transformacije, prilagodljiva granica tečenja se sada takođe može razviti kod Klase 2 Čelika u zavisnosti od nivoa deformacije i u Strukturi #3 granica tečenja može na kraju varirati od 200 MPa do 1650 MPa. Odnosno, konvencionalni čelici koji nisu obuhvaćeni ovim legurama pokazuju samo relativno nizak nivo ojačavanja, tako da se njihove granice tečenja mogu menjati samo u malim rasponima (npr. 100 do 200 MPa) u zavisnosti od prethodne istorije deformacija. Kod ovde opisanih čelika Klase 2, granica tečenja može varirati u širokom opsegu (npr. 200 do 1650 MPa), što se primenjuje za transformaciju Strukture #2 u Strukturu #3, omogućavajući prilagodljive varijacije kako dizajneru tako i krajnjim korisnicima za razne primene, i korišćenje Strukture #3 za razne primene, kao što je “menadžment sudara” kod automobilskih karoserija.

[0031] Što se tiče ovog dinamičkog mehanizma prikazanog na Sl. 6, primećuje se nova i/ili dodatna faza ili faze taloga koje pokazuju merljive veličine zrna od 1 nm do 200 nm. Pored toga, u pomenutoj taložnoj fazi postoji dalja identifikacija heksagonalne faze diheksagonalne piramidalne klase sa P63mc prostornom grupom (#186), ditrigonalna dipiramidalna klasa sa heksagonalnom P6bar2C prostornom grupom (#190) i/ili kubna faza M3Si sa prostornom grupom Fm3m (#225). Prema tome, dinamička transformacija može da se dogodi delimično ili u potpunosti i rezultira u formiranju mikrostrukture sa novim fazama nanorazmera/blizu nanorazmera koje pružaju relativno visoku čvrstoću u materijalu. Struktura #3 se može razumeti kao mikrostruktura koja ima zrna osnove veličine uglavnom od 25 nm do 2500 nm koja su blokirana boridnim fazama koje su u opsegu od 20 nm do 10000 nm i sa fazama taloga u rasponu od 1 nm do 200 nm. Podrazumeva se da u odsustvu blokirajućih boridnih faza, rafinisanje može biti nešto manje i/ili može doći do ogrubljavanja matrice što rezultira zrnima matrice veličine od 25 nm do 25000 nm. Inicijalno formiranje gore navedene taložne faze sa veličinama zrna od 1 nm do 200 nm započinje Statičkim Nanofaznim Rafinisanjem i nastavlja se tokom Dinamičkog Nanofaznog Ojačavanja, što dovodi do formiranja Strukture #3. Zapreminski udeo taložnih zrna veličine od 1 nm do 200 nm se povećava u Strukturi #3 u poređenju sa Strukturom #2 i pomaže u identifikovanom mehanizmu ojačavanja. Takođe treba napomenuti da u Strukturi #3 nivo gama-gvožđa nije obavezan i može biti eliminisan u zavisnosti od specifičnog hemijskog sastava legura i stabilnosti austenita. Tabela 2 u nastavku daje poređenje strukture i performansi ovih Čelika Klase 2:

Tabela 2 Poređenje strukture i Performansi Čelika Klase 2, - nije deo pronalaska.

Novi putevi do Modalne Strukture

[0032] Putevi za razvoj formiranja Nanomodalne Strukture Visoke Čvrstoće su kako je opisano na Sl. 6. Ovde je otkriven novi put kao što je prikazano na Sl. 8. Počinje sa Strukturom #1, Modalna struktura, ali uključuje dodatni Mehanizam #0 - Dinamičko Nanofazno Rafinisanje koji dovodi do formiranja Strukture #1a -Homogenizovana Modalna Struktura (Slika 8). Preciznije, Dinamičko Nanofazno Rafinisanje je primena povišene temperature (700 ° C do temperature neposredno ispod tačke topljenja) uz naprezanje (kako je predviđeno brzinama deformacije od 10<-6>do 10<4>s-1) dovoljno da uzrokuje smanjenje debljine metala, koje se može javiti u različitim procesima, uključujući toplo valjanje, toplo kovanje, toplo presovanje, toplo probijanje i toplu ekstruziju. Ono takođe dovodi i do, kao što je detaljnije objašnjeno u nastavku, rafinisanja morfologije metalne legure.

[0033] Primećeno je da se Dinamičko Nanofazno Rafinisanje koje dovodi do Homogenizovane Modalne Strukture javlja u samo 1 ciklusu (zagrevanje sa smanjenjem debljine) ili nakon vi šestrukih ciklusa redukcije debljine (npr. do 25). Homogenizovana Modalna Struktura (Struktura 1a na Sl. 8) predstavlja intermedijarnu strukturu između početne Modalne Strukture sa pripadajućim svojstvima i karakteristikama definisanim kao Struktura 1 sa Sl. 8 i potpuno transformisane Nanomodalne Strukture definisane kao Struktura 2 na Sl. 8. U zavisnosti od specifične hemije, početne debljine i nivoa zagrevanja i veličine smanjenja debljine (u odnosu na ukupnu količinu primenjene sile), transformacija može biti završena u samo 1 ciklusu ili u više ciklusa (npr. do 25) da se u potpunosti transformiše. Delimično transformisana, intermedijarna struktura je Struktura #1a ili Homogenizovana Modalna struktura i nakon potpune transformacije Modalne strukture u NanoModalnu strukturu, formira se Nanomodalna struktura (tj. Struktura 2). Progresivni ciklusi dovode do stvaranja Strukture #2 (Nanomodalne Strukture). U zavisnosti od nivoa rafinisanja i homogenizacije postignute za određeni hemijski sastav legure sa određenom Modalnom Strukturom, Struktura #1a (Homogenizovana Modalna Struktura) može stoga direktno postati Struktura #2 (Nanomodalna Struktura) ili može biti termički obrađena i dalje rafinirana kroz Mehanizam #1 (Statičko Nanofazno Rafinisanje) da bi se na sličan način proizvela Struktura #2 (Nanomodalna Struktura). Kao što je prikazano, Struktura #2, Nanomodalna struktura, tada može biti podvrgnuta Mehanizmu #2 (Dinamičko Nanofazno Ojačavanje) koji dovodi do formiranja Strukture #3 (Nanomodalna Struktura Visoke Čvrstoće).

[0034] Vredi napomenuti da je Dinamičko Nanofazno Rafinisanje (Mehanizam #0) mehanizam koji omogućava Homogenizovanu Modalnu Strukturu (Struktura #1a) u livenim legurama, poželjno po celoj zapremini/debljini, što legure čini efektivno neosetljivim na brzinu hlađenja (kao i neosetljivim na debljinu) tokom početnog očvršćavanja iz tečnog stanja što omogućava korišćenje takvih proizvodnih metoda kao što su livenje tankih ili debelih slabova za proizvodnju limova. Drugim rečima, primećeno je da ako se formira Modalna Struktura u debljini većoj ili jednakoj 2.0 mm ili tokom formiranja Modalne Strukture primenjuje brzina hlađenja koja je manja ili jednaka 250K/s, naredni korak Statičkog Nanofaznog Rafinisanja se možda neće lako odigrati. Prema tome, sposobnost stvaranja Nanomodalne Strukture (Struktura #2) i shodno tome, sposobnost podvrgavanja Dinamičkom Nanofaznom Ojačavanju (Mehanizam #2) i formiranja Nanomodalne Strukture Visoke Čvrstoć e (Struktura #3) će biti ugrožena. To jest, do rafinisanja strukture ili neće doći do svojstava koja su ili ekvivalentna svojstvima dobijenim iz modalne strukture ili će biti neefikasna što dovodi do svojstava koja se nalaze između svojstava Modalne i Nanomodalne Strukture.

[0035] Međutim, sada se poželjno može osigurati sposobnost formiranja Nanomodalne Strukture (Struktura #2) i sledeći razvoj Nanomodalne Strukture Visoke Čvrstoće. Konkretno, kada se započinje sa Modalnom Strukturom koja je očvrsnula iz rastopa debljine veće od ili jednake 2.0 mm ili Modalnom strukturom koja je hlađena brzinom manjom ili jednakom 250 K/s), sada se poželjno može nastaviti sa Dinamičkim Nanofaznim Rafinisanjem (Mehanizam #0) u Homogenizovanu Modalnu Strukturu, a zatim nastaviti sa koracima prikazanim na Sl. 8 da bi se formirala Nanomodalna Struktura Visoke Čvrstoće. Pored toga, ako se pripremi Modalna Struktura pri debljinama manjim od 2 mm ili pri brzinama hlađenja većim od 250 K/s, poželjno je da se nastavi direktno sa Statičkim Nanofaznim Rafinisanjem (Mehanizam #1) kako je prikazano na Sl. 8.

[0036] Kao što je prema tome identifikovano, Dinamičko Nanofazno Rafinisanje se javlja nakon što su legure podvrgnute deformaciji na povišenoj temperaturi i poželjno se javlja u rasponu od 700 ° C do temperature -6 4

neposredno ispod tačke topljenja i u opsegu brzina deformacije od 10 do 10 s-1. Jedan primer takve deformacije se može odigrati vrućim valjanjem nakon livenja debelih slabova ili tankih slabova što se može pojaviti u pojedinačnim ili višestrukim koracima grubog toplog valjanja ili pojedinačnim i/ili pojedinačnim ili višestrukim završnim koracima toplog valjanja. Alternativno se može javiti u naknadnoj obradi sa širokim spektrom koraka tople prerade, uključujući ali ne ograničavajući se na toplo štancovanje, kovanje, toplo presovanje, topla ekstruzija itd.

Mehanizmi Tokom Proizvodnje Limova

[0037] Formiranje modalne strukture (Struktura #1) u čeličnim legurama ovde može nastati tokom očvršćavanja legura u debelom slabu (Sl. 1) ili Livenja Tankog slaba (Faza 1, Sl. 2). Modalna Struktura se poželjno može formirati zagrevanjem ovde opisanih legura na temperaturama u opsegu iznad njihove ta čke topljenja i u opsegu od 1100 °C do 2000 °C i hlađenjem ispod temperature topljenja legure, što odgovara 3 -3

poželjno hlađenju u opsegu od 1x10 do 1x10 K/s.

[0038] Integrisano toplo valjanje Debelog slaba (Sl. 1) ili livenje Tankog Slaba (Faza 2, Sl. 2) legura dovešće do stvaranja Homogenizovane Modalne Strukture (Struktura #1a, Slika 8) kroz Dinamičko Nanofazno Rafinisanje (Mehanizam # 0) u livenoj ploči debljine obično od 150 do 500 mm u slučaju Livenja Debelih Slabova i 20 do 150 mm u slučaju Livenja Tankih Slabova. Tip Homogenizovane Modalne Strukture (Tabela 1) zavisi će od hemije legure i parametara toplog valjanja.

[0039] Mehanizam #1, koji je Statičko Nanofazno Rafinisanje sa formiranjem Nanomodalne Strukture (Struktura #2) se javlja kada se proizvedeni slabovi sa Homogenizovanom Modalnom Strukturom (Struktura #1a, Sl. 8) izlože povišenoj temperaturi (od 700 °C do temperature topljenja legure) tokom naknadne obrade. Moguće metode za realizaciju Statičke Nanofazne Rafinacije (Mehanizam #1) uključuju, ali se ne ograničavaju na linijsko žarenje, šaržno žarenje, toplo valjanje praćeno žarenjem prema ciljanoj debljini itd. Toplo valjanje je tipična metoda koja se koristi za smanjenje debljine slaba u raspone od nekoliko milimetara kako bi se proizveo čelični lim za različite primene. Tipično smanjenje debljine može široko varirati u zavisnosti od načina proizvodnje polaznog lima. Početna debljina može varirati od 3 do 500 mm, a konačna debljina od 1 mm do 20 mm.

[0040] Hladno valjanje je široko korišćena metoda za proizvodnju limova koja se koristi za postizanje ciljane debljine za određene primene. Na primer, većina čeličnih limova koji se koriste u automobilskoj industriji ima debljinu od 0.4 do 4 mm. Da bi se postigla ciljana debljina, hladno valjanje se primenjuje kroz vi še prolaza sa među-žarenjem između prolaza.

[0041] Tipično smanjenje po prolazu je 5 do 70% u zavisnosti od svojstava materijala. Broj prolaza pre međužarenja takođe zavisi od svojstava materijala i nivoa njegovog očvršćavanja u hladnim deformacijama. Hladno valjanje se takođe koristi kao završni korak za kvalitet površine poznat kao završno valjanje. Za ovde opisane legure čelika i niz postupaka za formiranje Nanomodalne Strukture kako je predviđeno na Sl. 8, hladno valjanje će pokrenuti Dinamičko Nanofazno Ojačavanje i formiranje Nanomodalne Strukture Velike Čvrstoće.

Poželjni Hemijski Sastavi Legura i Priprema Uzoraka

[0042] Hemijski sastav ovde proučavanih legura je prikazan u Tabeli 4 koja daje poželjne atomske odnose koji se koriste. Inicijalne studije su rađene livenjem slabova u bakarnom kalupu.

[0043] Legure naznačenih kompozicija odmerene su u šaržama od 3 kilograma korišćenjem određene količine komercijalno dostupnih feroatiditivnih prahova poznatog sastava i sadr žaja nečistoća i dodatnih legirajućih elemenata po potrebi, prema atomskim odnosima datim u Tabeli 4 za svaku leguru. Šarže legura su smeštene u lonce na bazi silicijum dioksida prevučene cirkonijom i ubačene u livnu mašinu. Topljenje se odvijalo pod vakuumom pomoću RF induktora od 14 kHz. Šarže su zagrevane do potpunog stapanja, sa vremenskim periodom između 45 sekundi i 60 sekundi nakon poslednje tačke u kojoj su uočeni čvrsti sastojci, kako bi se obezbedilo pregrevanje i obezbedila homogenost topljenja.

[0044] Zatim su rastopi sipani u vodom hlađeni bakarni kalup da bi se formirali laboratorijski liveni slabovi debljine približno 50 mm, koji su u opsegu debljina za postupak Livenja Tankih Slabova (Slika 2) i veličine 75 mm x 100 mm.

Tabela 4 Hemijski Sastav Legura

[0045] Iz gore navedenog se vidi da ovde opisane legure podložne transformacijama prikazanim na Sl. 8 spadaju u sledeće grupe: (1) Fe/Cr/Ni/Mn/Si/Cu/C (legure 63 do 70); (2) Fe/Cr/Ni/Mn/Si/C (legure 71 do 74).

[0046] Iz gore navedenog, stručnjak u ovoj oblasti će razumeti da sastav ovde opisanih legura uključuje sledeća četiri elementa sa sledećim naznačenim atomskim procentom: Fe (61.0 do 88.0 at. %); Si (0.5 do 9.0 at.%); Mn (0.9 do 19.0 at.%) i bez B. Pored toga, može se razumeti da su sledeći elementi potrebni i prisutni su u naznačenom atomskom procentu: Ni (0.1 do 9.0 at.%); Cr (0.1 do 19.0 at.%); C (0.1 do 4.0 at.%). Cu može opciono biti prisutan sa 0.1 do 4.0 at.% Nečistoće koje uključuju Al, Mo, Nb, S, O, N, P, V, Co, Sn, Zr, Ti, Pd i V, mogu biti prisutne u iznosu do 10 atomskih procenata.

[0047] Shodno tome, ove legure takođe mogu biti šire opisane kao legure na bazi Fe (više od 60.0 atomskih procenata) i dalje sadrže Si i Mn. Legure mogu očvrsnuti iz rastopa da bi formirale Modalnu strukturu (Struktura #1, Slika 8), kada su debljine veće ili jednake 2.0 mm, ili kada je modalna struktura formirana brzinom hlađenja manjom ili jednakom 250 K/s, poželjno može biti podvrgnuta Dinamičkom Nanofaznom Rafinisanju koje tada može obezbediti Homogenizovanu Modalnu Strukturu (Struktura #1a, Slika 8). Kako je naznačeno na Sl. 8, tada se od takve Homogenizovane Modalne Strukture može na kraju formirati Nanomodalna Struktura Visoke Čvrstoće (Struktura # 3) sa naznačenom morfologijom i mehaničkim svojstvima.

Primer Slučaja # 1: Legure Bez Bora

[0048] Hemijski sastav ovde opisanih legura koje ne sadrže bor (Legura 63 do Legure 74) je naveden u Tabeli 4 koja daje poželjne atomske odnose koji se koriste. Ove hemikalije su korišćene za obradu materijala livenjem slabova u mašini za vakumsko livenje Indutherm VTC800V. Legure navedenih kompozicija su odmerene u šaržama od 3 kilograma korišćenjem određenih količina komercijalno dostupnih feroatiditivnih prahova poznatog sastava i sadržaja nečistoća i dodatnih legirajućih elemenata po potrebi, prema atomskim odnosima datim u Tabeli 4 za svaku leguru. Odmerene šarže legure su stavljene u lonce na bazi silicijum-dioksida prevučene cirkonijom i ubačene u mašinu za livenje. Topljenje se odvijalo pod vakuumom pomoću RF induktora od 14 kHz. Šarže su zagrevane do potpunog topljenja, sa vremenskim periodom između 45 sekundi i 60 sekundi nakon poslednje tačke u kojoj su uočeni čvrsti sastojci, kako bi se obezbedilo pregrevanje i obezbedila homogenost rastopa. Zatim su rastopi sipani u vodom hlađeni bakarni kalup da bi se formirali laboratorijski liveni slabovi debljine približno 50 mm, koji su u opsegu debljina za postupak livenja tankih slabova i veličine 75 mm x 100 mm.

[0049] Termalna analiza ovde opisanih legura je izvedena na tek-očvrslim uzorcima livenih slabova na Netzsch Pegasus 404 Diferencijalnom Skenirajućem Kalorimetru (DSC). Merni profili su se sastojali od brzog zagrevanja do 900 °C, nakon čega je usledilo kontrolisano zagrevanje do 1425 °C brzinom od 10 °C/ minut, kontrolisano hlađenje od 1425 °C do 900 °C brzinom od 10 °C/min, i drugo zagrevanje na 1425 °C brzinom od 10 °C/min. Merenja solidusa, likvidusa, i pikova temperature su uzeta iz zavr šne faze zagrevanja, kako bi se obezbedilo reprezentativno merenje materijala u ekvilibrijumu sa najboljim mogućim kontaktom za merenje. U legurama navedenim u Tabeli 5, topljenje se vrši u jednoj fazi, osim Legure 65 sa topljenjem u dve faze. Početno topljenje zabeleženo je od minimuma na ∼ 1278 °C i zavisi od hemijskog sastava Legure. Maksimalna konačna temperatura topljenja je zabeležena na 1450 °C.

Tabela 5 Podaci Diferencijalne Termalne Analize za Ponašanje prilikom Topljenja

[0050] Laboratorijski slabovi debljine 50 mm iz svake legure su podvrgnuti toplom valjanju na temperaturi od 1250 °C, osim Legure 68 koja je valjana na 1250 °C. Valjanje je izvršeno na jednostepenom valjačkom stanu Fenn Model 061, koristeć i linijsku tunelsku pe ć Lucifer EHS3GT-B18. Materijal je držan na temperaturi toplog valjanja početno vreme zadržavanja od 40 minuta da bi se obezbedila homogena temperatura. Nakon svakog prolaza valjačkog stana, uzorak se vrać ao u tunelsku pe ć sa zadržavanjem za obnavljanje temperature od 4 minuta da bi se korigovala temperatura izgubljena tokom prolaza toplog valjanja. Toplo valjanje je izvedeno u dve kampanje, pri čemu je prva kampanja postigla približno 80% do 88% ukupnog smanjenja na debljinu između 6 mm i 9.5 mm. Nakon prve kampanje toplog valjanja, iz sredine toplo valjanog materijala je odse čen deo lima dužine između 130 mm i 200 mm. Ovaj odsečeni deo je zatim korišć en za drugu kampanju toplog valjanja za ukupnu redukciju u obe kampanje od 96% do 97%. Spisak specifičnih parametara toplog valjanja koji se koriste za sve legure je dostupan u Tabeli 6.

Tabela 6 Parametri Toplog Valjanja

[0051] Gustina legura je merena na delovima livenog materijala koji su bili toplo valjani na izme đu 6 mm i 9.5 mm. Delovi su presečeni na dimenzije 25 mm x 25 mm, a zatim obrušeni da bi se uklonio oksid iz postupka toplog valjanja. Merenja zapreminske gustine su izvršena na ovim obrušenim uzorcima, primenom Arhimedove metode u posebno konstruisanoj vagi koja omoguć ava merenje u vazduhu i u destilovanoj vodi. Gustina svake legure je prikazana u Tabeli 7 i utvrđeno je da varira od 7.64 do 7.80 g/cm<3>. Eksperimentalni rezultati su

3

otkrili da tačnost ove tehnike iznosi ±0.01 g/cm .

Tabela 7 Prosečne gustine legura

[0052] Potpuno toplo valjani lim je zatim podvrgnut hladnom valjanju u vi še prolaza. Valjanje je obavljeno na Fenn Model 061 jednostepenom valjačkom stanu. Spisak specifičnih parametara hladnog valjanja koji je korišćen za legure je prikazan u Tabeli 8.

Tabela 8 Parametri hladnog valjanja

[0053] Posle toplog i hladnog valjanja, uzorci za ispitivanje zatezanjem su presečeni pomoću EDM. Dobijeni uzorci su termički obrađeni prema parametrima navedenim u Tabeli 9. Vodonična termička obrada je sprovedena u zadihtovanoj peć i CAMCo G1200-ATM. Uzorci su ubačeni na sobnoj temperaturi i zagrevani do ciljne temperature zadržavanja na 1200 °C/sat. Držanja su sprovedena u atmosferama navedenim u Tabeli 9. Uzorci su hlađeni pod kontrolom peć i u atmosferi argona. Termička obrada bez vodonika je sprovedena u Lucifer 7GT-K12 peć i sa zalivenom kutijom u atmosferi argona ili u bubnjastoj pe ć i ThermCraft KSSL-3-0-24-1C. U slučaju vazdušnog hlađenja, uzorci su držani na propisanoj temperaturi tokom određenog vremenskog perioda, izvađeni iz peć i i hlađeni na vazduhu. U slučajevima kontrolisanog hlađenja, temperatura pe ć i je snižavana određenom brzinom zajedno sa uzorcima.

Tabela 9 Parametri Termičke Obrade

[0054] Uzorci za ispitivanje zatezanjem su ispitivani u toplo valjanom, hladno valjanom i termi čki obrađenom stanju. Zatezna svojstva su izmerena su na Instron uređaju za mehaničko ispitivanje (Model 3369), koristeć i Instron softver za kontrolu i analizu Bluehill. Sva ispitivanja su izvedena na sobnoj temperaturi sa kontrolom pomaka sa donjim učvršć enim elementom, i gornjim pokretnim; merna ć elija je pričvrš ć ena za gornji element.

[0055] Zatezne karakteristike legura u toplo valjanom stanju su navedene u Tabeli 10. Krajnje vrednosti zatezne čvrstoć e mogu varirati od 947 do 1329 MPa sa zateznim izduženjem od 20.5 do 55.4%. Granica tečenja je u rasponu od 267 do 520 MPa. Vrednosti mehaničkih karakteristika u ovde opisanim čeličnim legurama će zavisiti od hemijskog sastava legura i uslova toplog valjanja. Primer krive naprezanje deformacija za leguru 63 u toplo valjanom stanju je prikazan na Sl.9 koja pokazuje ponašanje tipično za Klasu 2 (Sl. 7).

Tabela 10 Zatezna Svojstva Legura Nakon Toplog Valjanja

[0056] Zatezne karakteristike izabranih legura nakon toplog valjanja i naknadnog hladnog valjanja su navedene u Tabeli 11 koja predstavlja Strukturu #3 ili Nanomodalnu Strukturu Velike Čvrstoć e. Krajnje vrednosti zatezne čvrstoć e mogu varirati od 1402 do 1766 MPa sa izduženjem od 9.7 do 29.1%. Napon tečenja je u rasponu od 913 do 1278 MPa. Vrednosti mehaničkih karakteristika u ovde opisanim čeličnim legurama ć e zavisiti od hemijskog sastava legura i uslova prerade.

Tabela 11 Zatezna Svojstva Odabranih Legura Posle Hladnog Valjanja

[0057] Zatezne karakteristike toplo valjanih limova nakon toplog valjanja sa naknadnom termi čkom obradom sa različitim parametrima (Tabela 9) su navedene u Tabeli 12. Krajnje vrednosti zatezne čvrstoć e mogu varirati od 669 do 1352 MPa sa izduženjem pri zatezanju od 15.9% do 78.1 % Napon tečenja je u rasponu od 217 do 621 MPa. Vrednosti mehaničkih karakteristika u ovde opisanim legurama čelikać e zavisiti od hemijskog sastava legura i uslova prerade.

Tabela 12 Zatezna Svojstva Legura sa Toplim Valjanjem i Naknadnom Termičkom Obradom

[0058] Ovaj Primer Slučaja pokazuje da mehanizmi u legurama koje ne sadrže bor slede put prikazan na Sl. 8 bez formiranja borida pružajući visoku čvrstoću uz kombinacije svojstava visoke duktilnosti.

Primer Slučaja 2: Razvoj Strukture u Leguri Bez Bora

[0059] Slab debljine 50 mm od Legure 65 je izliven u mašini za vibraciono vakumsko livenje Indutherm VTC800V. Legura naznačenog sastava je odmerena u šarže od 3 kilograma korišćenjem određenih količina komercijalno dostupnih feroaditivnih prahova poznatog sastava i sadr žaja nečistoća i dodatnih legirajućih elemenata po potrebi, u skladu sa atomskim odnosima datim u Tabeli 4. Odmerena šarža Legure je stavljena u cirkonijumom prevučeni lonac na bazi silicijum dioksida i ubačena u mašinu za livenje. Topljenje se odvijalo pod vakuumom pomoću RF induktora od 14 kHz. Šarža legure je zagrevana do potpunog topljenja, sa vremenskim periodom između 45 sekundi i 60 sekundi nakon poslednje tačke u kojoj su uočeni čvrsti sastojci, kako bi se obezbedilo pregrevanje i obezbedila homogenost topljenja. Zatim je rastop izliven u vodom hla đeni bakarni kalup da bi se dobio laboratorijski liveni slab debljine približno 50 mm koji je u opsegu debljina za postupak Livenja Tankih slabova i veličine 75 mm x 100 mm.

[0060] Laboratorijski slab Legure 65 debljine 50 mm je podvrgnut toplom valjanju na temperaturi od 1250 °C sa ukupnom redukcijom od 97%. Potpuno toplo valjani lim je zatim podvrgnut hladnom valjanju u vi še prolaza, do debljine 1.2 mm. Hladno valjani lim je 5 minuta termički obrađivan na 850 °C što oponaša linijsko žarenje u komercijalnoj proizvodnji slabova. Da bi se napravili SEM uzorci, poprečni preseci uzoraka lima u livenom stanju, nakon toplog valjanja i nakon hladnog valjanja sa naknadnom termičkom obradom su isečeni i obrušeni SiC papirom, a zatim progresivno polirani dijamantskom pastom finoće 1 µm. Završno poliranje je rađeno sa rastvorom SiO2finoće 0.02 µm. Mikrostrukture uzoraka Legure 65 su ispitane skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM) upotrebom skenirajućeg elektronskog mikroskopa EVO-MA10 proizvođača Carl Zeiss SMT Inc.

[0061] Sl. 10 prikazuje SEM prikaze mikrostruktura u Leguri 65 u livenom stanju, nakon toplog valjanja i nakon hladnog valjanja sa naknadnom termičkom obradom, koje pokazuju razvoj strukture od Modalne Strukture u livenom stanju (Slika 10a), Nanomodalne Strukture u toplo valjanom stanju (Sl. 10b) i Nanomodalne Strukture Visoke Čvrstoće posle hladnog valjanja (Sl. 10c).

[0062] Ovaj Primer Slučaja pokazuje da je razvoj strukture u legurama bez bora sličan onome za legure koje sadrže bor (Sl. 8), iako veličina zrna osnove može biti veća u odsustvu blokirajućih boridnih faza.

Claims (8)

Patentni zahtevi:

1. Postupak koji obuhvata:

a. snabdevanje metalne legure koja se sastoji od Fe na nivou od 61.0 do 88.0 atomskih procenata, Si na nivou od 0.5 do 9.0 atomskih procenata, Mn na nivou od 0.90 do 19.0 atomskih procenata, Ni na nivou od 0.1 do 9.0 atomskih procenata, Cr na nivou od 0.1 do 19.0 atomskih procenata, C na nivou od 0.1 do 4.0 atomskih procenata, opciono Cu na nivou od 0.1 do 4.0 atomskih procenata i nečistoće, pri čemu navedena metalna legura ne sadrži bor;

b. topljenje navedene metalne legure i hlađenje i očvršćavanje i formiranje očvrsnute legure koja ima debljinu veću od ili jednaku 20 mm i do 500 mm i granicu tečenja od 300 MPa do 600 MPa, pri čemu navedena očvrsnuta legura ima tačku topljenja (Tm)

c. zagrevanje pomenute očvrsle legure na temperaturu od 700 °C do ispod navedene tačke topljenja Tm legure i redukcija pomenute debljine pomenute očvrsnute legure brzinom -6 4

naprezanja od 10 do 10 s<-1>da bi se dobila prva rezultujuća legura koja ima granicu tečenja od 200 MPa do 1000 MPa; i

d. naprezanje prve rezultujuće legure iznad navedene granice tečenja, pri čemu se dobija druga rezultujuća legura debljine 0.1 mm do 25.0 mm, pri čemu druga rezultujuća legura ima

zateznu čvrstoću od 400 MPa do 1825 MPa i izduženje od 2.4 do 78.1%.

2. Postupak prema patentnom zahtevu 1, pri čemu se zagrevanje pomenute očvrsnute legure u koraku (c) izvodi na temperaturi od 700 °C do 1200 °C.

3. Postupak prema patentnom zahtevu 2, pri čemu pomenuta prva dobijena legura ima:

a. zrna od 50 nm do 50000 nm; i

b. taložna zrna od 1 nm do 200 nm.

4. Postupak prema patentnom zahtevu 1, pri čemu se očvrsnuta legura u koraku (c) više puta termički obrađuje na pomenutoj temperaturi od 700 °C do ispod navedene Tm legure i debljina pomenute o čvrsnute legure se redukuje tokom svake od navedenih termičkih obrada.

5. Postupak prema patentnom zahtevu 1, pri čemu navedena druga dobijena legura ima jedno ili vi še od sledećeg:

a. zrna od 25 nm do 25000 nm;

b. taložna zrna od 1 nm do 200 nm.

6. Postupak prema patentnom zahtevu 3, pri čemu se navedena druga dobijena legura postavlja u vozilo.

7. Postupak prema patentnom zahtevu 5, pri čemu se navedena druga dobijena legura postavlja u vozilo.

8. Teška bušaća šipka, bušaća cev, zaštitna cev, spojnica, isplačna glava, rezervoar za skladištenje komprimovanog gasa ili boca za tečni naftni gas, koji sadrže drugu rezultujuću leguru proizvedenu postupkom prema bilo kojem od patentnih zahteva 1 i 5.