Lujat termomekaanisesti valssatut teräkset

Transkriptio

1 Lujat termomekaanisesti valssatut teräkset Sakari Tihinen Tuotekehitysinsinööri, IWE Ruukki Metals Oy, Raahen terästehdas 1

2 Miten teräslevyn ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa terästehtaassa? Seostus (CEV, CET) Sulan käsittely Valssaus (toimitustila) Valssauksen jälkeinen lämpökäsittely (toimitustila) 2

3 Terästen toimitustila on tärkeä ymmärtää kun valmistetaan hitsattujen rakenteita AR = kuumavalssattu NR = normalisointivalssattu N = normalisoitu M = termomekaanisesti valssattu Q, QL = nuorrutettu QC = karkaistu 3

4 Rakenneterästen lujuus ja toimitustila Myötö lujuus N/mm 2 R eh M (levy) M (nauha) QC Q, QL 100 AR, N, NR, M 4

5 Rakenneteräkset, standardisointi EN (Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 1:Yleiset tekniset toimitusehdot) EN (Seostamattomat rakenneteräkset) EN (Normalisoidut tai normalisointivalssatut hitsattavat hienoraeteräkset) EN (Termomekaanisesti valssatut hitsattavat hienoraeteräkset) EN (Ilmastokorroosiota kestävät rakenneteräkset) EN (Nuorrutetut lujat rakenneteräslevytuotteet) EN (Kuumavalssatut lujat kylmämuovattavat teräslevytuotteet. Yleiset toimitusehdot) EN (Termomekaanisesti valssattujen terästen toimitusehdot) EN (Normalisoitujen tai normalisointivalssattujen terästen toimitusehdot) Standardoimattomat teräkset: Ultralujat suorakarkaistut, jotka tulevaisuudessa ovat termomekaanisesti valssattuja teräksiä 5

6 EN ja EN mukaiset rakenneteräkset Termomekaanisesti valssatun levyteräksen standardi EN ulottuu S460 MPa myötölujuusluokkaan asti ja on laajenemassa S500 MPa lujuusluokkaan asti juuri revisioinnissa olevien standardien mukaan. Termomekaanisesti valssatun nauhateräksen standardi EN ulottuu S700 myötölujuusluokkaan asti ja on laajenemassa S960 MPa lujuusluokkaan asti juuri revisioinnissa olevien standardien mukaan. 6

7 Meriteknisen rakentamisen erikoisteräkset Laivanrakennusteräkset Offshore-teräkset Offshore-standardien ja projektikohtaisten erityisvaatimusten mukaiset rakenneteräkset Termomekaanisesti valssattuna lujimmat teräkset ovat S500 MPa myötölujuusluokan teräksiä 7

8 Lämpötila [ C] Kuumavalssatun lujan teräksen valmistusreitit 1. Aihio saavuttaa tasaisen lämpötilan 2. Valssausvaihe 3. Jäähdytys alkaa (QC ja MC nopeutettu jäähdytys) 4. Uudelleen kuumennus ja karkaisu (QL) 5. Päästö (QL) QC MC QL Aika [min] 8

9 Kuumanauhavalssaus (Raahe) 2) pystyvalssain 3) esinauhakelain 1) askelpalkkiuuni 2) esivalssain 4) nauhavalssain 5) jäähdytys 1) Valuaihioiden hehkutus tapahtuu askelpalkkiuunissa 2) Pysty- ja esivalssaus, esivalssaimella tyypillisesti 7 edestakaista pistoa 3) Nauha kelataan esinauhakelaimelle 4) Loppuvalssaus suoritetaan 6 valssituolia sisältävällä nauhavalssaimella 5) Jäähdytysvyöhyke 9

10 Levyvalssaus (Raahe) 1) Läpityöntöuuni 2) Uunihilsepesuri 3) Levyvalssain 4) Lämpötilaprofiili-, paksuus-, muoto- ja tasomaisuusmittarit 5) Esioikaisukone 6) Jäähdytys 7) Kuumaoikaisu 8) Lämpökäsittelyuuni 10

11 Levyvalssauksen periaate 11

12 Levyjen termomekaanisen valmistuksen (TMCP) periaate Tnr=Austeniitin rekristallisaatiolämpötila Ar1-Ar3=Austeniitti-ferriitti -faasimuutos 12

13 Rekristallisaatio Keskeinen käsite kuumavalssauksessa Merkitsee rearakenteen uusiutumista siten, että muokattuun metalliin syntyy uusia kideytimiä, jotka kasvavat, kunnes raerakenne on täysin uusiutunut. Ytimen muodostus ja ytimenkasvu reaktio Rekristallisaatio tapahtuu Tnr-lämpötilan lämpötilan yläpuolella kylmävalssaus kuumavalssaus Miekk-ojan metallioppi 13

14 Tnr, Ar1 ja Ar3, keskeisiä käsitteitä termomekaanisessa valssauksessa 14

15 Termomekaanisten käsittelyjen ohjausparametrit (levyvalssaus) Aihion kuumennus ennen valssausta Käsitteiden Tnr ja Ar3 ymmärtäminen Muokkausaste valssauksessa (pisto, reduktio) Valssauksen lopetuslämpötila Levyn jäähtymisnopeus Jäähdytyksen lopetuslämpötila 15

16 Termomekaaninen nauhavalssaus verrattuna levyvalssaukseen Suurempi reduktio esivalssauksessa Lyhyempi väliaika esivalssauksen ja loppuvalssauksen välissä Lyhyempi rekristallisaatioaika peräkkäisillä valsseilla tapahtuvan muokkauksen jälkeen Suurempi jäähtymisnopeus valssausta seuraavassa vesijäähdytyksessä Hitaampi jäähtymisnopeus kelauksen jälkeen 16

17 Mikroseostuksen vaikutus rakeenkasvuun Austeniitin raekoko, μm C-Mn-Nb C-Mn-Nb-Ti C-Mn Hehkutuslämpötila, o C 17

18 Faasimuutos ja kovuus jäähtymisnopeus 100% martensiitti suurin lujuus ja kovuus Lämpötila Austeniitti Pieni dislokaatiotiheys, pehmeä Ferriitti + perliitti Martensiitti Bainiitti Aika - suuri dislokaatiotiheys, kova 18

19 Seostaminen ja CCT-diagrammit Lämpötila Austeniitti Bainiitti Martensiitti Ferriitti + perliitti Mutta CEV, CET, Pcm kasvaa Mitä käy hitsattavuudelle? Lisätään seostusta (C, Mn, Cr, Mo, B ) suurempi karkenevuus, Lujempi teräs helpommin Aika 19

20 Lujuuden vaikutus hitsauksen lämmöntuontiikkunaan teräksen lujuuden kasvaessa 20

21 Teräksen toimitustila ja kylmähalkeilu Teräksen lujuus kasvaa - CET, CEV on termomekaanisesti valssatuilla teräksillä (M) alhainen mikrorakennetekijä ei ole niin merkittävä - lujuusluokka kasvaa jännitystekijä huomioitava - vetytekijä huomioitava 21

22 Teräksen toimitustila ja karkenevuus CEV (QL) > CEV (QC) tai CEV (MC) S 960 QL Hardness, HV 10 Hardness, HV 10 S 960 QC (MC) Distance, mm Distance, mm 22

23 Lujat termomekaanisesti valssatut teräkset ja hitsaus Termomekaanisen valssauksen ja sitä seuraavan nopeutetun jäähdytyksen edut hitsauksessa: - Teräksen lujuus voidaan tehdä vähäisemmällä seostuksella - Alhaisen CEV-arvon ansiosta hitsattavuus hitsattavuus on hyvä - Vähäisempi tarve esilämmitykselle - HAZ:n iskusitkeys on tyypillisesti hyvä, koska alhaisemman CEV ansiosta ei synny kovia ja hauraita mikrorakenteita 23

24 Lujat termomekaanisesti valssatut teräkset ja hitsaus Nämä seikat on huomioitava termomekaanisesti valssattujen terästen hitsauksessa: - Tyypillisesti HAZ:iin muodostuu kapea pehmeä kohta, joka vaikuttaa hitsin staattiseen lujuuteen hitsattaessa liian suurella lämmöntuonnilla - Teräksen lämmöntuontirajat (t8/5-suositukset) on hyvä tuntea. - Nauhavalssatut teräkset. t8/5-suosituksen hallitseminen korostuu käytettäessä ultralujia (Rp Mpa) ja ohuita (t 10 mm) teräksiä. 24

25 Lujat termomekaanisesti valssatut teräkset ja hitsauksen lämmöntuonti. Käsite t8/5 on hyvä ymmärtää. 25

26 Hitsausenergian E ja lämmöntuonnin Q laskeminen E 60 U I = 1000 v Q = kxe E=Hitsausenergia (kj/mm) Q=Lämmöntuonti (kj/mm) U=Hitsausjännite (V) I=Hitsauvirta (I) v=hitsausnopeus (mm/min) k=hitsauksen terminen hyötysuhde 26

27 T8/5 hallitsemisen merkitys korostuu mentäessä lujempiin ja ohuempiin teräksiin 27

28 28

29 29

30 Lujuus ja sitkeys (venymä) / Niemi, Kemppi. Hitsatun rakenteen suunnittelun perusteet. (1993) 30

31 T8/5 ja hitsin staattinen lujuus esimerkki Päittäisliitos, tasaluja lisäaine Myötö- ja murtolujuus, N/mm R m,req R p0.2, req Optim 700 MC/MC Plus 10 s 1 Palko+ juurituki R m = xt 8/ R p0.2 = xt 8/ Jäähtymisaika, t 8/5 31 R. Laitinen

32 T8/5 maksimi ja HAZ:n iskusitkeys Lämmöntuonnin vaikutus rakeenkasvuun Voidaan määrittää hitsauksen menetelmäkokeilla Käytetään myös Gleeble mallinnusta Termomekaanisesti valssatuilla teräksillä mikroseostuksesta on etua (Ti, Nb) EN

33 PWHT ja lujat teräkset 33

34 Termomekaanisesti valssattujen terästen tulevaisuus Termomekaanisten valssattujen terästen lujuus tulee edelleen kasvamaan sekä nauha- että levyvalssauslinjalla. Käytettävyysohjeiden (hitsaus, särmäys) päivitys Suunnitteluohjeiden päivitys 34

35 Kiitos mielenkiinnosta! 35