NO823581L - Staal og kjetting fremstilt av dette. - Google Patents

Abstract

Et stål med god sveisbarhet og herdbarhet, en strekkgrense på minst 600 MPa, en bruddgrense på minst 900. MPa ved "Romtemperatur og en slagseighet på minst 40 Joule ved -20°C, har følgende kjemiske sammensetning j_ vekt-%:. rest vesentlig bare jern og forurensninger i normale innehold.Best slagseighet oppnås når forholdet Mn/Cr er ca. 2/3 eller 0,6. Det totale innholdnog Cr er ifølge en foretrukken utførelsesform mellom 3 og 5, hensiktsmessig mellom 3,5 og 4,5%. Stålet er spesielt egnet for ankerkjetting til f.eks. oljeplattformer. En egnet varmebehandling etter sveising er normalisering med 800 - 1000°C, avkjøling til romtemperatur, samt dupleksanløpning.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et konstruksjons- og verktøy-stål med god sveisbarhet, god herdbarhet, høy strekkfasthet ved romtemperatur og god slagseighet også ved lave temperaturer. Strekkg* rensen er minst 600 N/mm 2og bruddgrensen minst 900 N/ mm 2, mens slagseigheten ved -20°C er minst 40 Joule. Som kon-struksjonsmateriale kan stålet anvendes i stangform, spesielt for kjetting og i form av rør for konstruksjonsrør. Innen verktøysområdet kan stålet benyttes for eksempelvis plastform-verktøy. ;Som konstruksjonsstål og enkle verktøysstål benyttes konven-sjonelt karbonstål og lavlegerte stål. Disse stål kan med hensyn til strukturen inndeles i ferrit-perlittiske stål og martensittiske stål. De førsnevnte ståltyper er sveisbare, ;men har sammenligningsvis lave styrkeverdier. Med martensittiske stål kan man oppnå vesentlig høyere styrke, men denne har normalt blitt oppnådd på bekostning av seighet og sveisbarhet . ;Med det formål å forbedre de martensittiske konstruksjons-stålenes sveisbarhet og samtidig bibeholde deres gode styrke-egenskaper, har det blitt utviklet en rekke nye stålkvaliteter som er kjennetegnet ved at de har et lavt karboninnhold samtidig som de legeres med først og fremst mangan og krom og vanligvis også med noen finkorndannere, slik som niob, vanadium eller titan. Representative stål tilhørende denne kategori er f.eks. beskrevet i svensk utlegningsskrift nr. 303. 885 og britiske patentskrifter nr. 1^.340,744 og 1. 353. 762. Hos disse og andre stål med lignende sammensetning har be-tydelige egenskapforbedringer blitt oppnådd i flere henseender. Styrkekravene for konstruksjonsstål beregnet for meget krev-ende anvendelser har imidlertid etter hvert blitt forhøyet til verdier som ikke kan oppfylles av disse tidligere fore-slåtte stål. Særlig har det vist seg vanskelig hos disse stål å oppnå nødvendig slagseighet ved lavere temperaturer med bibeholdelse av god strekkfasthet. Også herdbarheten er begrenset, hvilket begrenser stålets anvendelse for prod-ukter med grove dimensjoner. Et slikt produkt er ankerkjetting for oljeboringsplattformer til havs. ;Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe et stål med;en egenskapprofil som oppfyller de krav som er omtalt ovenfor. Spesielt er det et formål å tilveiebringe et stål som oppfyller de krav som stilles innen offshore-bransjen for ankerkjetting. ;En hensikt er også å tilveiebringe et stål med sammenligningsvis lavt innhold av legeringsstoffer for å holde de totale fremstillingsomkostningene nede. Disse og andre formål kan oppnås ved at stålet har følgende sammensetning uttrykt i vekt-%: ; Innledende forsøk har videre indikert at manganinnholdet hensiktsmessig bør være opptil 1,2 - 2,0, krominnholdet 1,8 - 2,8, nikkelinnholdet 1,5 - 2,5, molybdeninnholdet 0,2 - 0,4 og siliciuminnholdet 0,2 - 0,4. Stålet kan også inneholde aluminium i et innhold av 0,005 - 0,04, fortrinnsvis 0,01 - 0,02 aluminium. Nitrogen bør ikke inngå i mer enn normale mengder. Niob, vanadium og titan kan som angitt i tabellene ovenfor inngå i mengder totalt opptil 0 - 0,10% som finkorndannere. Ifølge den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen bør disse elementer dog ikke inngå i mer enn forurensningsinnhold. ;Forsøkene har også vist at den seighetsforbedrende effekt til nikkel er avhengig av forholdet mellom mangan- og krominnholdet forsåvidt som nikkelmengdens effekt forsterkes når forholdet " Mn/% Cr ligger mellom 0,5 og 1,0, fortrinnsvis mellom 0,5 og 0,75, og hensiktsmessig er ca. 2/3 eller 0,6. Denne iakttagelse leder også til den slutning at det totale innhold av Mn + Cr kan holdes relativt lavt, 3-5%, hensiktsmessig 3,5 - 4,5%, dersom man samtidig bibeholder det opti-male forhold mellom disse to elementene. For på effektiv måte å utnytte nikkelets seighetsforhøyende virkning er det, spesielt i den legeringskominasjon som er aktuell for stålet, dog hensiktsmessig at nikkelinnholdet bringes til et noe høyere nivå enn det som innledningsvis er angitt eller på 2,0 - 3,0. ;Det er mer bestemt funnet at en optimal sammensetning hos stål for ankerkjetting bør være følgende, uttrykt i vekt-%: ; rest jern og forurensninger i normale innhold.;For å oppnå den beste kombinasjonen av styrke og slagseighet £ør sveiset ankerkjetting av stål med en sammensetning ifølge oppfinnelsen utsettes for følgende varmebehandling. Den sveisede kjettingen normaliseres ved temperatur mellom 800° og 1000°C og avkjøles i luft eller vann til omkring romtemperatur. Deretter dupleksanløpes materialet, dvs. anløpes i det ferritaustenittiske området, ved en temperatur mellom 680° og 790°C. ;I den følgende redegjørelse for utførte forsøk vil det hen-vises til fig. 1 som i diagramform illustrerer slagseigheten ved -20°C som funksjon av ståltypen ved de undersøkte stål og til fig. 2 som viser et kjettingledd, hvorved stedene for uttatte prøvestaver er markert med prikkede linjer. ;Undersøkelsen omfattet ti 50-kg valseemner med kjemisk sammensetning ifølge tabell 1. De undersøkte materialene utgjør legeringer med varierende innhold av mangan, krom og/eller nikkel og har blitt sammensatt ifølge følgende mønster Mn+Cr= 5 %; % Mn/% Cr: 3/2, 2/3, 1,5/4. ;% Ni: 0, 1, 1,5 og 2. ;Samtlige ti valseemener ble varmvalset til 16 mm (f) stang.; ; S = 0,008 - 0,009 i stål 1 - 3 og 0,013 - 0,014 i de øvrige ;P = 0,007 - 0,008 i samtlige.;Av de valsede stengene ble det fremstilt prøvestaver med dimensjon 16 mm <J>. Etter normalisering 900°C/15 min/luft ble materialene herdet ifølge to alternativer: 870°C/15 min/vann og 870°C/15 min/luft. Ingen anløpning ble foretatt. Samtlige stål ble strekkprøvet ved RT (romtemperatur) og slagprøvét (Charpy V) ved RT, -20° og -40°C både i vannbråkjølt og i luftavkjølt tilstand. Mikrostrukturen til samtlige stål ble studert lysmikroskopisk. ;De mikroskopiske studiene viste at austenittiseringen ved 870°C/15 min til samtlige av disse finkornbehandlede materialer ga en austenittkorndiameter på 20 - 30 ym (ASTM 8 - 7). Etter herding 870°C/15 min. vannbråkjøling oppviste samtlige stål en helt ribbemartensitisk struktur med en martensitpakke-middeldiameter på ca. 10 ym. Etter herding 870°C/15 min./ luftavkjøling oppviste samtlige stål hovedsakelig en blande-struktur bestående av ribbemartensit med større eller mindre innslag av andre strukturformer, hovedsakelig acikulær ferrit (bainit) med relativt høy dislokasjonstetthet. Den effektive, høyvinkelgrensige kornmiddeldiameteren var ca. 10 ym. Stål nr. 3 hadde høyest herdbarhet og en nærmest fullstendig martensitisk struktur. Hos stål nr. 9 som åpenbart har dårligst herdbarhet, forekom hele ca. 25 volum-% myk, polygonal ferrit. Sporadiske innslag av slik ferrit forekom også hos stål nr. 6. I de nikkellegerte variantene med omtrent samme Mc/Cr-forhold som hos stål nr. 9 og 6, dvs. hos stål nr. 7 ;og 8 og 10, fantes ingen polygonal ferrit.;Undersøkelser av de vannbråkjølte prøvene med hensyn til strekkfasthet og slagseighet viste at bruddgrenser på over 1000 - 1100 N/rnrn^ o ble oppnådd for samtlige stål. Samtlige stål unntatt stål nr. 1 oppfyllte også de oppstilte kravene med hensyn til slagseighet ved -20°C. ;De mekaniske egenskapene til de materialer som ble herdet fra 870°C/15 min/luftavkjøling er angitt i tabell 2. Dessuten er slagseighetsverdier ved -20°C som funksjon av ståltype plottet på figuren. Samtlige stål oppnådde en bruddstyrke godt over 900 N/mm 2 ved romtemperatur. Ingen skarp strekkgrense kunne noteres hos disse stål og a 0,2 er omtrent 750 N/mm 2 hos samtlige stål med unntagelse av ståolene nr. 3 ;og 9, hvilket er et typisk styrkenivå for stål med blandestruk-tur av den aktuelle typen. Stål nr. 9 hadde en relativt lav bruddstyrke og det laveste a 0,2-verdien på 660 N/mm 2, hvilket skulle skyldes den større andel av myk ferrit i dets struktur. Samtlige stål viste dårligere slagseighet etter luftavkjøling enn etter vannbråkjøling til tross for at den effektive korn-størrelsen var omtrent den samme og at vannbråkjøling dessuten gir høyere strekkgrenser. Stål nr. 1 og 2 med 5,7% henholdsvis 4,8 Mn har åpenbart katastrofalt dårlig slagseighet hvilket helt kan henføres til austenittkorngrenseforsprød-ning på grunn av den langsomme luftavkjølingen. Forsprød-ningen gir seg til kjenne i form av 100% austenittkorngrensebrudd ved slagprøving. Hos stål nr. 4 er slagseigheten klart bedre og bare sporadiske innslag, av austenittkorngrensebrudd forekommer. Ingen tegn på austenittkorngrensebrudd, ;men bare duktilt brudd samt normalt forekommende transkrystall-insk sprekkbrudd kunne derimot iakttas hos stål nr. 6 og hos stål nr. 9, hvile samtidig oppviser ytterligere bedre slagseighet enn stål nr. 4. ;Heller ikke hos de nikkellegerte variantene kunne noe som helst tegn på austenittkorngrensebrudd oppvises i bruddoverflåtene. De forbedringer av slagseigheten som oppnås ved nikkeltilsetningene hos stålene nr. 4 og 5 med større enn 3% Mn kan derfor i første rekke koples sammen med at korngrenseforsprød-ningen er forsvunnet. Nikkeltilsetningene har åpenbart og- ;så medført bedre slagseigheter hos stålene med mindre enn 3% Mn, hvilket der helt kan henføres til nikkelets sprekk-bruddhemmende innvirkning. Fra seighetssynspunkt er således ;nikkeltilsetning ifølge oppfinnelsen spesielt gunstig dersom materialet skal anvendes i luftavkjølt tilstand. De markante effekte%ne av dels Mn/Cr-forholdet, dels nikkelinnholdet på slagseigheten, har på en grafisk måte blitt sammenfattet i figuren som på en slående måte illustrerer nikkelets markante effekt når det gjelder å forbedre slagseigheten hos et stål med vel avveide proporsjoner mellom mangan og krom, nærmere bestemt et mangan-kromforhold på ca. 2/3, slik som ved stål nr. 8 som har en ifølge oppfinnelsen mulig sammensetning. Undersøkelsene viser således at det i høyere grad er forholdet mellom mangang- og krominnholdene som stimulerer nikkelets seighetsforhøyende effekt enn det totale innhold av krom og mangan. Fra undersøkelsene kan man derfor trekke den slutning at en optimal legeringssammensetning kan og bør ha et noe lavere innhold av krom og mangan, fortrinnsvis totalt ca. 4% av disse stoffer. ; Ut fra erfaringene fra de forsøk det er redegjort for ovenfor ble det fremstilt en 60 tons charge (DV 26993) i lysbueovn. Smeiten* ble vakuumbehandlet i en ASEA-SKF vakuumovn og fikk følgende sammensetning, tabell 4. Også stålets nominelle sammensetning er angitt i tabellen.

Stålet ble støpt opptog valset til runde stenger, <J> 76 mm, ved lav sluttvalsetemperatur. Stengene ble kappet, bøyet til kjettinglenker og buttsveiset ved elektrisk motstands-sveising. De sveisede kjettinglenkene ble varmebehandlet to ganger; først i gjennomløpsovn ved 900°C (normalisering) fulgt av avkjøling i luft til romtemperatur og deretter .ved ca. 730°C (duipleksanløpning) som også ble fulgt av avkjøling i luft til romtemperatur. Lenkene ble prøvebelastet ved 4730 kN, hvoretter prøvestaver ble tatt ut i sveisefugen og i ryggen på lenkene, fig. 2.

Følgende styrkeverdier ble målt ved strekkprøving og sveise-prøving.

Claims (11)

1. Stå.1 med god sveisbarhet og herdbarhet, en strekkgrense på minst 600 N/mm 2 , en bruddgrense på minst 900 N/mm 2ved romtemperatur og en slagseighet på minst 40 Joule ved -20°C, karakterisert ved at stålet har følgende kjemiske sammensetning i vekt-%:

rest vesentlig bare jern og forurensninger i normale innhold.

2. Stål ifølge krav 1, karakterisert ved at det inneholder 1,2 - 2,0% Mn og 1,8 - 2,8% Cr, fortrinnsvis 1,3 - 1,7% Mn og 2,1 - 2,7% Cr.

3. Stål ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at forholdet % Mn/% Cr er opptil mellom 0,5 og 1,0, fortrinnsvis mellom 0,5 og 0,75, og er hensiktsmessig ca.

2/3, og at summen av Mn + Cr er opptil mellom 3 og 5%, fortrinnsvis mellom 3,5 og 4,5%.

4. Stål ifølge hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at stålet inneholder 1,5 - 2,5% Ni.

5. Stål ifølge hvilket som helst av kravene 1- 3, karakterisert ved at stålet inneholder 2.0 - 3,0% Ni.

6. Stål ifølge hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at stålet inneholder minst 0,1% Mo, hensiktsmessig 0,2 - 0,4% Mo og at niob, vanadium og titan mangler i innhold større enn forurensningsinnhold.

7. Stål ifølge hvilket som helst av kravene 1 - 6, k a r k-terisert ved at stålet inneholder 0,2 - 0,6 Si.

8. Stål ifølge hvilket som helst av kravene 1- 7, karakterisert ved at stålet inneholder 0,005 - 0,04, fortrinnsvis 0,01 - 0,02 aluminium.

9. Stål ifølge hvilket som helst av kravene 1- 8, karakterisert ved at det inneholder maks. 0,05 N.

10. Stål ifølge hvilket som helst av kravene 1-9, karakterisert ved at det har følgende sammensetning i vekt-%:

rest jern og forurensninger i normale innhold.

11. Kjetting fremstilt av stålet ifølge hvilket som helst av kravene 1-10, karakterisert ved at den etter sveising utsettes for en varmebehandling inn-befattende normalisering ved en temperatur mellom 800 og 1000°C, avkjøling i luft eller vann til romtemperatur, og deretter dupleksanløpnång ved en temperatur mellom ca. 680 og 790°C, dvs. i stålets ferritaustenittiske område.