NO841923L - Abrasjonsslitasjefast staal - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en rekke forbedrede austenittiske manganstål som kan velges for å oppnå forbedret sveisbarhet, støpbarhet, slitasjefasthet, høy konvensjonell flytegrense, høy temperaturfasthet, slagfasthet ved lav temperatur og/ eller korrosjonsfasthet.

Teknikkens stand

Vanlig austenittisk manganstål er utstrakt anvendt

for anvendelser under sterke påkjenninger hvor motstands-dyktighet overfor uthuling og abrasjon er nødvendig. Typiske anvendelser for slikt stål innbefatter som forings-plater i kjeftknusere, mantel i gyratoriske kanknusere og som skålforinger, stavrister og slaginnretninger i hammermøller. Den vanlige kjemiske sammensetning for slikt stål er:

Carbon 1,0 - 1,4%

Mangan 10 - 14 %

Jern rest

(alle sammensetninger som er angitt i den foreliggende be-skrivelse og i patentkravene er i vekt%).

Det forekommer selvfølgelig en del mindre variasjoner som kan innbefatte krom eller molybden av opp til ca. 2%

og andre elementer i spormengder. Efter støping blir stålet oppløsningsbehandlet ved 1050°C efterfulgt av brå-kjøling i vann for fremstilling av et seigt, forholdsvis bløtt (ca. 2 00 HV) stål med en karakteristisk evne til fastning på og nær overflaten under bruk til en hardhet av størrelsesordenen 550 HV. Vanlig austenittisk manganstål har således et seigt indre med en hård, abrasjonsslitasje-fast overflate som kontinuerlig dannes under bruk efter-hvert som det ytre lag slites bort av et abrasjonsmedium.

Slike vanlige austenittiske manganstål har en rekke iboende karakteristika som medfører alvorlige begrensninger av anvendelsen av disse. Disse karakteristika innbefatter: a. Den nødvendige sluttbehandling for å utvikle den karakteristiske seighet og høye fastningsevne for vanlig austenittisk manganstål består av hurtig avkjøling fra oppløsningsbehandlingstemperaturen. Bråkjølings- hastigheten er av viktighet fordi det er nødvendig å over-skride en minste kritisk avkjølingshastighet for å hindre at det dannes sprøhetsbefordrende carbider. Dette krav til avkjølingshastigheten innebærer en begrensning av den maksimale størrelse for den stålseksjon som effektivt kan gjøres seig.

b. Vanlig austentttisk manganstål oppviser en forholdsvis

lav konvensjonell flytegrense i oppløsningsbehandlet tilstand og blir lett utsatt for plastisk deformasjon under bruk før fastning. Derav følgende uønsket tap av dimen-sjonstoleranser inntrer.

c. Egnet seiggjort, vanlig austenittisk manganstål spaltes

lett under fornyet oppvarming (f .eks. i vanlige sveise-operasjoner) på grunn av at det dannes sprøhetsbefordrende carbider som fører til seighetstap og nedsatt abrasjonsslitasjefasthet.

Den austenittiske struktur i vanlig manganstål er metastabil og spaltes ved temperaturer over 350°C under dannelse av en rekke sprøhetsbefordrende faser, som vist på kurven på Fig. 1 av de ledsagende tegninger og som er tatt fra Collette, G Crussard, C Kohn, A Plateau,

J Pompey, G. et. Weisz, M., Rev de Met., (1957), 54, 433.

Innvirkningen av nærværet av de sprøhetsbefordrende faser på de mekaniske egenskaper for vanlig austenittisk manganstål er vist ved den kurve som er angitt på Fig. 2 av de ledsagende tegninger og som gjelder for et vanlig austenittisk manganstål med et innhold av 13% mangan og 1,2% carbon (tatt fra Imai, Y. og Saito, T.: Sei. Rep.

RITU, (1962) A14, 92).

Som en oppsummering kan det derfor fastslås at anvendelse av varme i forbindelse med vanlig austenittisk manganstål i alvorlig grad gjør stålet sprøtt ..hvilket kan føre til katastrofal svikt under bruk. Dessuten forekommer en betraktelig reduksjon av stålets abrasjonsslitasjefasthet.

r britisk patentskrift nr. 2007257B er et austenittisk manganstål for jernbanekrysspisser beskrevet som inneholder 0,75-0,9% carbon, ikke over 1% silicium, 12,5-15% mangan

og 1,0-1,8% molybden og som er sveisbart. Denne sammensetning ligger meget nær ASTM A12 8 Grade E-l-spesifikasjonen for austenittisk manganstål for støping. Hvert av disse produkter er i det vesentlige en legering med lavere carbon-innhold enn vanlig manganstål og er generelt kjent for å være mindre utsatt for sprøhetsdannelse ved fornyet oppvarming, som f.eks. forekommer ved sveising. I motsetning til de prøvningsresultater som er gjengitt i det ovennevnte patentskrift, har imidlertid manganstål som inneholder 0,8% carbon, en lavere fastningsevne (dvs, slitasjefasthet) enn vanlig manganstål som inneholder 1,2% carbon (white D.H, og Honeycombe R.W.K., "Structural changes during the Deformation of high purity iron^manganese-carbon alloys" - Journal of the Iron and Steel Institute, Vol. 200, s. 457,

(1962) .

Oppfinne ls en

Som et resultat av forskning er det blitt fastslått

at den austenittiske struktur beholdes under avkjøling fra oppløsningsbehandling og at dannelsen av de sprøhetsbe-fordrende faser som det er henvist til på Fig. 1, i austenittisk manganstål sterkt kan forsinkes under oppvarming ved en temperatur over 350°C ved tilsetning av tilstrekkelige mengder av ett eller flere carbiddannende elementer, som krom, molybden, titan, niob, wolfram eller vanadium.

Selv om det kan hevdes at molybdenet som det er henvist til i det ovennevnte britiske patentskrift er et carbiddannende element, er den anvendte mengde ikke tilstrekkelig til i betydelig grad å forsinke spaltningen av den austenittiske struktur, og det overvinner ikke de alvorlige begrensninger for vanlige austenittiske manganstål som er omtalt ovenfor. Den foreliggende oppfinnelse er basert på den erkjennelse at ved å anvende egnede mengder av carbiddannende elementer blir disse begrensninger i sterk grad fjernet.

En utførelsesform av oppfinnelsen utgjøres således av et austenittisk manganstål som er særpreget ved tilsetning av tilstrekkelig med carbiddannende elementer til å befordre beholdelse av austenitt under avkjøling fra opp-løsningsbehandling.

En annen utførelsesform av oppfinnelsen består i et austenittisk manganstål som er særpreget ved tilsetningen av tilstrekkelig med carbiddannende elementer til å forsinke spaltningen av den bibeholdte austenitt og dannelse av sprøhetsbefordrende faser i den austenittiske grunnmasse når stålet oppvarmes på ny.

Ifølge en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen

.består denne i et austenittisk manganstål som er særpreget ved tilsetningen av tilstrekkelig med carbiddannende elementer til at det dannes en dispersjon av uoppløste primære carbider i den austenittiske grunnmasse. De forskjellige sider ved den foreliggende oppfinnelse vil bli bedre forstått ved henvisning til den nedenstående omtale lest i sammenheng med de ledsagende tegninger, hvorav Fig. 3 er en kurve som viser virkningen av legerings-sammensetningen på strukturen for oppløsningsbehandlede og bråkjølte Fe-Mn-C-legeringer, Fig. 4 er en rekke av tre kurver som viser de isotermiske egenskaper for austenittiske manganstål (a) Fe-12,4Mn-l,28C (b) Fe-13,lMn-0,83C og (c) Fe-5,6 Mn-1,22C, Fig, 5A er en kurve som viser det isotermiske om-vandlingsdiagram for Fe-13Mn-4Mo-l,2C,

Fig. 5B er en kurve som viser herdingsegenskapene

ved elding av Fe-13Mn-4Mo-l,2C, og

Fig. 6 viser variasjonen av charpy skårslagprøvnings-verdier undersøkt ved 2 0°C efter isotermisk oppvarming i én time innen et område av temperaturer for Fe-13Mn-l,2C og Fe-14Mn-5CrHD,6C.

Kriterier som påvirker det kjemiske sammensetnings-1. Virkning av carbon og mangan

Egenskapene, slitasjefasthet, seighét, støpbarhét,. sveisbar het, slagfasthet under 0°C og paramagnetisme blir maksimale i Fe-Mc-C-legeringer ved at det opprettholdes en i det vesentlige fullstendig austenittisk mikrostruktur.

Den austenittiske fase i Fe-Mn-C-systemet beholdes ved hurtig avkjøling av legeringer med et kritisk sammensetningsområde fra oppløsningsbehandlingstemperaturen.

Det kritiske område for carbon- og mangansammensetning er avgrenset på Fig. 3.

I vanlig manganstål er imidlertid den bibeholdte austenitt innenfor dette sammensetningsområde metastabil og utsettes lett for spaltning ved isotermisk oppvarming ved forhøyede temperaturer eller ved kontinuerlig langsom avkjøling fra temperaturer over solvusgrensen. Spaltningsprodukter er Widmanståtten-sementitt, korngrensecarbid og perlitt som gjør manganstålet sprøtt, reduserer slitasjefastheten og forårsaker tap av paramagnetisme.

Den isotermiske spaltningshastighet for den meta-stabile austenitt er avhengig av carbon- og manganinnholdet. Fig. 4 viser at spaltningen av den bibeholdte austenitt forsinkes ved:

(a) Økning av manganinnholdet.

(b) Reduksjon av carboninnholdet.

En øvre grense på 25% mangan er valgt fordi fastnings-evnen (dvs. slitasjefastheten) blir sterkt redusert under dette nivå. Dessuten faller strekkfastheten til under

300 MPa ved høyere manganinnhold, og legeringens smelte-punkt er uønsket lavt.

Carboninnholdet i den bibeholdte austenitt kan reduseres ved hjelp av en av to metoder: (i) Reduksjon av carbon i den samlede sammensetning for legeringen, f,eks. fra 1,2% til 0,6% carbon. (ii) Innføring av ett eller flere sterke carbiddannende elementer i legeringen for å fjerne carbon fra opp-løsning i austenitten. 2. Virkning av carbiddannende elementer (som krom, molybden, vanadium, wolfram, titan eller niob).

Det fås fem tydelige fordeler ved tilsetningen av sterke carbiddannende elementer til austenittisk manganstål .

2.1. Dannelsen av uoppløste carbider fjerner carbon fra oppløsning i austenittfasen og forsinker effektivt spaltningen av den bibeholdte austenitt ved fornyet oppvarming ved forhøyede temperaturer. De forskjellige sterke carbiddannende elementers evne til å fjerne carbon fra oppløsning er avhengig av: (a) De forskjellige carbiders oppløselighet i austenitt.

(b) Oppløsningsbehandlingstemperaturen.

(c) De uoppløste carbiders støkiornetri.

(d) De sterke carbiddannende elementers atomvekter.

2.2 Nærværet av en findelt dispersjon av uoppløste carbider i den bibeholdte austenitt byr på den ytterligere fordel at materialets slitasjefasthet og konvensjonelle flytegrense øker. Denne metode er overlegen i forhold til den "dispergeringsherdnings"-teknikk som av og til prak-tiseres i forbindelse med austenittiske manganstål fordi:

(a) Uoppløste legeringscarbider er hardere enn sementitt. (b) Dobbelte varmebehandlingsmetoder er ikke nødvendige. (c) En høyere volumfraksjon og en jevnere dispersjon av

legeringscarbider fås.

(d) Meget høye samlede legeringscarbéninnhold kan oppnås uten radikale forandringer i stålets støpbarhet og med forbedret slitasjefasthet. (e) En finere kornstørrelse forekommer ved oppløsningsbe-handling.

Som et eksempel oppviser legeringen Fe-13Mn-5Ti-2,5C som var blitt oppløsningsbehandlet og bråkjølt i vann fra . 1050°C, en mikrostruktur som består av ekstremt hardt

(30.00 HV) titancarbid i en austenittgrunnmasse med lignende sammensetning som for vanlig austenittisk manganstål.

2.3 Overmetning av den bibeholdte austenitt ved oppløsning av sterke carbiddannere ved den høyeste oppløsningsbe-handlingstemperatur byr på en rekke ytterligere fordeler:

(a) De sterke carbiddannere er austenittstabilisatorer

og holder effektivt på austenittfasen ved hurtig av-kjøling innen et videre carbon- og manganområde vist

på Fig. 3.

(b) Spaltningen av den bibeholdte austenitt til sprøhets-befordrende faser forsinkes ved sterk oppløsning av sterke carbiddannende elementer i austenittfasen.

Som et eksempel kan de isotermiske omvandlings-karakteristika for legeringen Fe-13Mn-4Mo-l,2C

..(Fig. 5A) sammenlignes med dem for Fe-13Mn-l,2C

(Fig. 4A) .

(c) Den bibeholdte austenittfase som er overmettet med

en sterk carbiddanner, herder lett ved elding ved isotermiske temperaturer under solvusgrensen ved at ekstremt findelte carbider utskilles (Fig. 5B).

En slik struktur vil oppvis en høyere konvensjonell flytegrense enn vanlige austenittiske manganstål.

2.4 Det carbiddannende element krom er sterkt oppløselig i austenittiske manganstål, og anvendelsen av dette vil føre til øket korrosjonsfasthet. En oppførsel lignende oppførselen til rustfrie stållegeringer forventes ved høye kromnivåer. Dessuten forventes tilsetninger av opp til 10% nikkel ytterligere å forbedre korrosjonsfastheten for kromrike, austenittiske manganstål med samtidig dannelse av en ekstremt seig, høyfast og slitefast,sveisbar legerings-kvalitet.

2.5 Hardheten og den konvensjonelle flytegrense for den bibeholdte austenitt økes ved fast oppløsningsherding.

Denne virkning er illustrert av innvirkningen av krominn-holdet på den oppløsningsbehandlede hardhet for de full- , stendig austenittiske strukturer i de følgende legeringer;

3• Sveisbarhet f or aus te n it t i s-k mang ans t ål

Den forbedrede sveisbarhet for et modifisert austenittisk manganstål er vist ved sammenligning av virkningen av varmetilførselen på slagfasthetsegenskapene i forhold til vanlige austenittiske manganstål.

Den modifiserte legering Fe-14Mn-5Cr-0,6C ble anvendt for sammenligning med referansematerialet Fe-13Mn-l,2C.

De uheldige virkningen av varmetilførselen som er forbundet med sveisingen av disse materialer, ble simulert ved hjelp av isotermisk oppvarming ved temperaturer opp til 900°C

i intervaller på ca. 100°C i en tid av én time. De varme-behandlede legeringer ble utsatt for charpy skårslagprøvning som er sterkt ømfintlige overfor nærværet av sprøhetsbe-fordrende faser. Prøvningsresultatene er vist på Fig. 6.

Disse data bekrefter metallografiske observasjoner

som viser at de sprøhetsbefordrende spaltningsprodukter som lett dannes ved fornyet oppvarming av vanlig austenittisk manganstål, undertrykkes i det modifiserte austenittiske manganstål. Ytterligere metallografiske undersøkelser av legeringer som er blitt isotermisk oppvarmet i lengre perioder, antyder at den modifiserte legering er egnet for flersveiseoperasjoner (f.eks. gjentatt hardsveising) uten sprøhetsdannelse.

Et ytterligere eksempel på oppfinnelsen ble frem-stilt og valgt for undersøkelse og hadde en sammensetning av 17% mangan, 6% krom og 0,8% carbon. Stålet ble støpt og behandlet ved oppløsningsbehandling efterfulgt av bråkjøling i vann. Spaltningskarakteristikaene for legeringen ble bestemt ved at en rekke prøver ble oppvarmet 550°C i tider på opp til 50 timer. En metallografisk undersøkelse av de termisk eldede prøver viste at utviklingen av transformasjonsreaksjonsproduktet som bevirker alvorlig sprøhétsdannelse i vanlig austenittisk manganstål sterkt blir forsinket i det austenittiske manganstål som er blitt modifisert ifølge eksemplet i henhold til oppfinnelsen.

Dessuten ble slitasjefastheten for den modifiserte austenittiske manganstållegering bestemt i et prøvnings-apparat for simulert høypåkjenningsabrasjonsslitasje, og resultatene antydet en abrasjonsslitasjehastighet lignende den for vanlig austenittisk manganstål.

Eksemplet ifølge oppfinnelsen (Fe-17Mn-6Cr-0,8C) viste fordeler sammenlignet med vanlige austenittiske manganstål, som følger: a. Den kritiske avkjølingshastighet som var nødvendig for ståleksemplet ved bråkjøling fra oppløsningsbe-handlingstemperaturen er langt lavere enn for vanlig austenittisk manganstål. Som et resultat av dette kan tyngre støpeseksjoner enn hittil oppnådd lett frem-stilles og bråkjøles uten sprøhetsdannelse.

b. Den nedsatte tilbøyelighet for de modifiserte legeringer til å danne sprøhetsbefordrende carbider ved fornyet oppvarming forenkler sveisingen av det austenittiske manganstål og utvider dets nyttige bruksområde.

En spesiell anvendelse av eksemplet ifølge oppfinnelsen hvor eksemplet byr på en tydelig fordel sammenlignet med vanlig austenittisk manganstål, gjelder anvendelse i forbindelse med mantler i gyratoriske : konknusere og skålforinger som hver kan veie opp til flere tonn. Disse frem-stilles fra austenittisk manganstål og blir uegnede for bruk. efter at en viss slitasjemengde har forekommet.

Det er nu tendens til å gjenoppbygge disse slitte kom-ponenter ved på deres overflater å påføre en rekke hard-sveisingsavsetninger, Disse sveiseavsetningslag kan ha en masse av størrelsesordenen fra 0,5 tonn til over 1 tonn og krever vanligvis en samlet sveiseperiode på over 50

timer.

Det er blitt påvist at slitte, vanlige knuserkom-ponenter av austenittisk manganstål med godt resultat kan gjenoppbygges forutsatt at forsiktige sveisemetoder anvendes og at forholdsregler tas for å hindre en for sterk varmetiIførsel og temperaturøkning i komponentene under sveiseprosessen. Da virkningen av termisk elding på sveising av vanlig austenittisk manganstål aldri helt kan unngås og den uheldige innvirkning er kumulativ, foreligger øket risiko for svikt på grunn av sprøhétsdannelse for hver på hverandre påfølgende gjenoppbygging av en komponent.

Anvendelsen av stållegeringen ifølge oppfinnelsen i mantler for gyratoriske konknusere og i skålfÆringer vil forenkle gjenoppbygningssveisemetodene og redusere risikoen for sprøhétsdannelse som følge av gjentatt gjenoppbygging til et minimum.

Andre egnede sammensetninger for spesielle formål kan skreddersys innenfor oppfinnelsens omfang. For eksempel oppviser et stål som omfatter Fe-13Mn-7Mo og 0,8C og som på egnet måte er blitt varmebehandlet, forbedret hardhet og konvensjonelle flytegrense og dessuten evne til kontinuerlig å kunne anvendes ved temperaturer opp til ca. 550°C, mens en sammensetning av Fe-13Mn-10Cr-l,2C med opp til 10% Ni oppviser forbedret korrosjonsfasthet og høy-temperaturoxydasjonsfasthet. En sammensetning av Fe-17Mn-6Cr-0,8C med opp til 10% nikkel oppviser forbedrede slag-fasthetsegenskaper ved kryogene temperaturer på grunn av den induserte spenning.

Claims (20)

1. Austenittisk manganstål, karakterisert vedtilsetning av tilstrekkelig med carbiddannende elementer til å befordre bi-beholdelse av austenitt under avkjøling fra.oppløsningsbe-handling.

2. Austenittisk manganstål, karakterisert vedtilsetning av tilstrekkelig med carbiddannende elementer til å forsinke spaltning av den bibeholdte austenitt og dannelse av sprø-hetsbef ordrende faser i den austenittiske grunnmasse når stålet oppvarmes på ny.

3. Austenittisk manganstål, karakterisert vedtilsetning av tilstrekkelig med carbiddannende elementer til å danne en dispersjon av uoppløste primære carbider i den austenittiske grunnmasse.

4. Austenittisk manganstål med forbedret hardhet og konvensjonell flytegrense, karakterisert vedtilsetning av tilstrekkelig med carbiddannende elementer til at det dannes en findelt dispersjon av sekundære legeringscarbider i den austenittiske grunnmasse ved egnede eldingsherdemetoder.

5. Austenittisk manganstål med forbedret hardhet og konvensjonell flytegrense, karakterisert vedtilsetning av til"-strekkelig med carihdannende elementer til å bevirke fast oppløsningsherding av den bibeholdte austenittiske grunnmasse,

6. Austenittisk. manganstål ifølge krav 1, 2, 3, 4 eller 5,karakterisert vedat manganinnholdet ligger innen området 5%-25%.

7. Austenittisk manganstål ifølge krav 1/ 2, 3/ 4, 5 eller 6, karakterisert vedat carboninnholdet ligger innen området 0,4%-3,0%.

8. Austenittisk manganstål ifølge krav 1-7,karakterisert vedat de carbiddannende elementer er valgt fra gruppen krom, molybden, titan, niob, wolfram og vanadium.

9. Austenittisk manganstål ifølge krav 1-8,karakterisert vedat mengden av carbiddannende elementer er bestemt av (i) carbidets oppløselig-het i austenitt,(ii) oppløsningsbehandlingstemperaturen, Ciii) de uoppløste carbiders støkiometri og (iv) de carbiddannende elementers atomvekt.

10. Austenittisk manganstål ifølge krav 1-9,karakterisert vedat den austenittiske struktur er dannet ved oppløsningsbehandling og bråkjøling.

11. Austenittisk manganstål ifølge krav 1-9,karakterisert vedat den austenittiske struktur er blitt bibeholdt ved oppløsningsbehandling og luftavkjøling.

12. Austentittisk manganstål ifølge krav 1-9,karakterisert vedat det innbefatter nikkel.

13. Austentti.sk manganstål, karakterisert vedat det omfatter 5%^-25% mangan, Q,4%-3,0% carbon og opp til 20% carbiddannende elementer, idet resten utgjøres av jern,

14. Austenittisk manganstål, karakterisert vedat det inneholder 13% mangan, 5% titan og 2,5% carbon, idet resten utgjøres av jern.

15. Austenittisk manganstål,karakterisert vedat det inneholder 13% mangan, 4% molybden og 1,2% carbon, idet resten utgjøres av jern.

16. Austenittisk manganstål,karakterisert vedat det inneholder 14% mangan, 5% krom og 0,6% carbon idet resten utgjøres av jern.

17. Austenittisk manganstål,karakterisert vedat det inneholder 17% mangan, 6% krom og 0,8% carbon, idet resten utgjøres av jern.

18. Austenittisk manganstål,karakterisert vedat det inneholder 10% mangan, 10% krom og 0,8% carbon, idet resten utgjøres av jern.

19. Austenittisk manganstål,karakterisert vedat det inneholder 13% mangan, 7% molybden og 0,8% carbon, idet resten utgjøres av jern.

20. Austenittisk manganstål,karakterisert vedat det inneholder 13% mangan, 10% krom, 1,2% carbon og opp til 10% nikkel, idet resten utgjøres av jern.