Niskolegirani čelici visoke čvrstoće (HSLA).

- Oct 01, 2020-

Niskolegirani čelik visoke čvrstoće (HSLA)

HSLA čelici su prvobitno razvijeni 1960-ih za naftovode i gasovode velikog prečnika. Linijska cijev koja se koristi u ovim projektima zahtijevala je veću čvrstoću i žilavost od blagog ugljičnog čelika i dobru zavarljivost koju pruža ekvivalent niske emisije ugljika.

Ulje&pojačalo; sektor plina i dalje je tržište gdje se nalaze najvažnije primjene za HSLA čelike, ali automobilska i obalna pojačala GG; kopneni sektori građevinskog inženjerstva sada troše značajne količine ovih legura.

HSLA čelici su danas dostupni sa tradicionalnim feritno-perlitnim, bainitskim, martenzitnim i višefaznim mikrostrukturama, od kojih su svaki dostupni u toplo valjanim ili hladno valjanim čelicima. Granica popuštanja savremenih HSLA čelika kreće se od 260 MPa do preko 1000 MPa.

Tipično se Mo koristi u HSLA čeliku kada granica tečenja mora biti veća od 550 MPa ili ako se traži određena mikrostruktura. Mo je posebno koristan za proizvodnju bainita (i preciznije za njegovu varijantu akularnog ferita) i višefaznih mikrostruktura koje se pojavljuju u dvofaznim, složenim fazama ili TRIP čelicima.

Traka i ploča cijevnih vodova

Automobilsko vruće&pojačalo; hladno valjana traka

Konstruktivna ploča

Mo u liniji cijev HSLA čelik

Dva tehnološka dostignuća omogućila su uspješno lansiranje HSLA čelika u cjevovodima velikog promjera: postupak termomehaničkog valjanja i upotreba niobija (Nb), vanadijuma (V) i titana (Ti) kao komponenata za mikrolegiranje. Kombinacija ovih razvoja omogućila je proizvodnju čelika veće čvrstoće bez dodatnih skupih toplotnih obrada. Ovi rani HSLA čelični cijevi obično su se oslanjali na reducirane perlitno-feritne mikrostrukture kako bi napravili razrede cijevi do X60 i X65. Međutim, cijevi za liniju veće čvrstoće zahtijevale su različite pristupe, uključujući nove rute obrade i nove hemijske sastave čelika. Opsežna istraživanja 1970-ih i ranih 1980-ih uspješno su razvila veće čvrstoće od X70 koristeći različite čelične sastave, od kojih su mnogi koristili Mo-Nb kombinaciju. Uvođenjem nove procesne tehnologije poput ubrzanog hlađenja, postalo je moguće razviti još veće čvrstoće s mnogo mršavijim dizajnom legura bez Mo-a.

Uobičajeni HSLA čelični cevni vod obično sadrži 0,05 do 0,09% ugljenika, do 2% mangana i male dodatke (obično maks. 0,1%) niobija, vanadijuma i titana u različitim kombinacijama. Poželjni proizvodni put za ovaj materijal je termomehaničko valjanje kako bi se maksimiziralo pročišćavanje zrna, čime se poboljšavaju mehanička svojstva. Pročišćavanje zrna jedini je mehanizam za jačanje koji istovremeno poboljšava i čvrstoću i žilavost.

Ipak, budući da mnogi valjaonice ili ne mogu primijeniti potrebne brzine hlađenja nakon završnog valjanja ili čak nemaju potrebnu opremu za ubrzano hlađenje, jedino praktično dostupno rješenje je korištenje odabranih dodataka legura poput Mo za dobivanje željenih svojstava čelika (vidi Tablice1 i 2). Nadalje, s obzirom da X70 postaje konj modernih projekata cjevovoda i sve veća popularnost spiralnih cijevi, potražnja za isplativim teškim pločama i toplo valjanim kalemom proizvedenim u Steckelovom mlinu ili u klasičnom mlinu za vruće trake (HSM) značajno je porasla u posljednjih nekoliko godina. Slijedom toga, mnogi od ovih mlinova koriste legure Mo, nakon što su ponovo uveli i prilagodili metalurški razvoj napravljen tokom 1970-ih današnjim sve većim zahtjevima cjevovoda.

Raspon sastava čeličnih cevnih cijevi X70-80 (maseni postotak)
CMnNbVMo
0.05 - 0.091.4 – 2.00.02 - 0.100 - 0.060.10 - 0.35

Tabela 1. Čelični cijevni vod X70-80 koji sadrži Mo

Postoji snažan trend ka povećanom radnom pritisku za buduće dalekovode za plinovode, kojima će biti potrebni čelik sa svojstvima X80 i više. Proizvođači čelika dobro napreduju u ispunjavanju ovog izazova, posebno za vruće trake velikih dimenzija. Ovdje se molibden vraća, s dodacima između 0,1 i 0,3% koji ne samo da pomažu u stvaranju vrlo sitnozrnate strukture, već i značajno pojačavaju učinak očvršćavanja od padavina postignut mikrolegirajućim elementima. Štoviše, Mo legura pomaže u promicanju kontinuirane krivulje popuštanja i izbjegavanju takozvanog Bauschingerovog efekta, što je važno kada su navedeni projektni kodovi zasnovani na naprezanju.

Tipične čelične kemikalije za čelične cijevne cijevi s kliznim ležajevima X70 i X80
MjeriloOcenaCR (° C / s)CMnMoNbNi + Cu + Cr
≤ 12mmX7025≤ 0.061.20-0.070.45


20≤ 0.061.250.100.070.45
≥ 12 mm ≤ 17 mmX7025≤ 0.061.500.150.070.50


20≤ 0.061.600.200.070.50
≤ 12mmX8025≤ 0.061.70-0.090.80


20≤ 0.061.700-150.090.80


15≤ 0.081.600.250.060.65
≥ 12 mm ≤ 17 mmX8025≤ 0.061.700.180.090.80


20≤ 0.061.700.220.090.80


20≤ 0.081.700.320.060.65
≥ 17 mm ≤ 20 mmX8030≤ 0.061.750.200.090.80


25≤ 0.061.750.250.090.80


20≤ 0.081.800.420.060.65

Tablica 2. Tipične čelične kemikalije za čelične cijevne cijevi Mo-noseće X70 i X80.

Nedavno izgrađeni drugi plinovod zapad-istok, koji se proteže na gotovo 5000 km kroz Kinu, u velikoj mjeri određuje kvalitet X80 koji ima iglastu feritnu mikrostrukturu. Većina linije koristi spiralne cijevi proizvedene od vruće trake velikog kalibra (18,4 mm). Cevna legura je čelik s niskim udjelom C (GG lt; 0,07%), Nb (0,07-0,10%), Mo (0,2-0,3%). Čak i s ovim malim sadržajem legura, gotovi cjevovod sadrži približno 10 000 tona molibdena.

Rašireno, ali pogrešno vjerovanje da legiranje Mo nužno dovodi do nepovoljnog troška može se opovrgnuti sveobuhvatnom analizom troškova i koristi. Upoređujući često korišteni NbV mikrolegirani X70 koncept s najmodernijim konceptom NbMo s niskim udjelom ugljika, cijena legure potonjeg čelika zaista je skuplja. Međutim, ukupni troškovi izrade vruće trake na bazi NbMo niži su zbog bolje efikasnosti procesa i nižih troškova kvaliteta. Pored toga, legura NbMo može se proizvesti kao X80. Korištenje X80 umjesto X70 u projektu zahtijeva manje čelika i donosi značajnu uštedu troškova (vidi slike 2 i 3), jer materijalni troškovi iznose oko 30% ukupnih troškova projekta cjevovoda.

Slika 1. Vlačna čvrstoća u odnosu na sadržaj molibdena za valjane ploče od 19 mm.

Slika 2. Struktura troškova proizvodnje za cijevi X70 i X80 (na osnovu prosječnih cijena ferolegura iz CY 2007).

Slika 3. Potrošnja čelika u funkciji nivoa čvrstoće za cevovod dužine 250 km i prečnika 48 '' pri fiksnom radnom pritisku.

Mo od konstrukcijskog čelika

Primjene strukturnih ploča su izuzetno raznolike, ali trend svih je veća čvrstoća kod teških ili izuzetno teških mjerača. Ova kombinacija može čak i najsnažniji rashladni uređaj dovesti do svojih granica, te stoga legiranje Mo postaje relevantno. Danas se vrste s granicom popuštanja do 700 MPa proizvode termomehaničkim valjanjem do teškog mjerača, zamjenjujući tradicionalniji i skuplji put kaljenja i kaljenja. Ovisno o potrebnoj čvrstoći i žilavosti, moraju se primijeniti različite strategije hlađenja poput ubrzanog hlađenja (ACC), teškog ubrzanog hlađenja (HACC) ili izravnog kaljenja samo-kaljenjem (DQST). U takvim sofisticiranim čelikima Mo se kombinira s drugim legirajućim elementima poput Cr i Ni, te kombinacijama mikrolegiranja Nb, Ti i po izboru B, kako bi se proizvele bainitne ili iglaste feritne mikrostrukture izuzetno fine veličine zrna. Čelik veće čvrstoće omogućava izradu komponenata konstrukcije od tanjih ploča, štedeći materijal i smanjujući troškove transporta, dizanja i zavarivanja.

Konvencionalni strukturni HSLA čelik ima dobru čvrstoću na temperaturi okoline, ali jako omekšava kada je izložen povišenoj temperaturi. Iz tog razloga ove legure nisu predviđene za temperature mnogo veće od temperature okoline. To može predstavljati problem kada je čelična konstrukcija zgrade slučajno podvrgnuta toplini koju stvara požar. Ako čelik omekša, struktura će se srušiti pod vlastitom težinom. Zbog toga se vatrootporni čelik mora oduprijeti termički aktiviranoj deformaciji (puzanju) pri povišenim temperaturama u rasponu od oko 400-700 ° C tokom perioda od nekoliko sati. U Japanu se mora zadržati minimalno 2/3 navedene granice popuštanja na sobnoj temperaturi (RT) na 600 ° C da bi se čelik smatrao vatrootpornim. HSLA čelici koji sadrže dodatke Nb, Mo, V i / ili Ti pokazuju superiornu čvrstoću na povišenim temperaturama u odnosu na obične ugljenične čelike. Od ovih, utvrđeno je da su legirani čelici MoNb sa sadržajem Mo do 0,6% najbolji u radu. Mo ojačava čelik očvršćavanjem ferita čvrstom otopinom i sekundarnim taloženjem Mo2C čestice. Nb osigurava pročišćavanje zrna i stvara NbC taloge koji daju dodatnu čvrstoću. Iznad toga, Mo inhibira grubljenje NbC precipitata na povišenoj temperaturi razdvajanjem na interfejs NbC-matrice.

Mo u automobilskom vrućem&pojačalu; hladno valjana traka

Nijedan drugi industrijski sektor nije toliko agresivno težio smanjenju kilograma kao automobilska industrija. To je dovelo do neviđenih inovacija u čeliku za proizvodnju legura visoke čvrstoće i dobre hladnoće u oblikovanju. Danas karoserija putničkog automobila sadrži do 80% čelika visoke čvrstoće, od čega je većina tradicionalni (feritni, feritno-perlitni ili bainitični) HSLA čelik, a sve veći udio čini višefazni čelik. Vlačna čvrstoća utvrđenih razreda kreće se do 1500 MPa, s nedavnim stupnjevima koji postižu 2000 MPa. Naročito u onim automobilskim čelikima gdje granica tečenja prelazi 700 MPa, legure Mo imaju svoje mjesto. Baš kao u HSLA čeliku za cijevi, Mo potiče stvaranje bainitskih mikrostruktura koje imaju veću čvrstoću od feritno-perlitnih mikrostruktura. Ovi bainitični čelici su posebno zanimljivi za strukturne armaturne dijelove, kotače, dijelove šasije i okvire kamiona. Sinergetska interakcija Mo s mikrolegirajućim elementima poput Nb i Ti također je dovela do razvoja feritnih čelika izuzetno velike čvrstoće. Snaga u ovim čelicima dobiva se masivnim očvršćavanjem od padavina. Učinak Mo u ovim čelicima je višestruk:

  • Mo odlaže taloženje mikrolegirajućih elemenata tokom termomehaničkog valjanja

  • Mo usporava rekristalizaciju tokom vrućeg valjanja povlačenjem otopljene supstance na granicama zrna

  • Mo usporava transformaciju iz austenita u ferit, što dovodi do finije veličine zrna

  • Mo sprečava grubljenje (Ostwaldovo sazrijevanje) finih čestica NbC ili TiC taloženih u feritu (slika 4)

Višefazni čelik kao što je DP (dvofazna), TRIP (TRansformacija izazvana plastičnošću) i CP (složena faza) čelik može se proizvesti ili direktno od toplote kotrljanja ili upotrebom dodatne toplotne obrade, obično nakon hladnog valjanja. Potonji je put koji se obično koristi za opskrbu automobilske industrije. Primarni učinak legure Mo je modifikacija faznih polja u CCT dijagramu koja definiraju prozore obrade brzine hlađenja transformacije, čime se minimaliziraju varijacije svojstava konačnog proizvoda trake.

Što se tiče valjanog dvofaznog čelika, obrazac hlađenja na ispusnom stolu mora omogućiti stvaranje dovoljne proeutektoidne feritne matrice bez nukleacije perlita prije konačnog kaljenja transformira preostali austenit obogaćen ugljikom u martenzit. To se obično ostvaruje u dvostepenom procesu hlađenja. Mo ima izražen efekat na biserni nos, vrlo efikasno odgađajući nastanak perlita. Njegov učinak usporavanja na proeutektoidnu feritnu reakciju znatno je manji, što značajno povećava prozor dozvoljenih brzina hlađenja i čini robusniji proizvodni proces.

U hladno valjanoj traci, količina ferita u višefaznoj mikrostrukturi prilagođava se interkritičnim žarenjem između temperature Ar1 i Ar3. Novoformirana frakcija austenita obogaćuje se ugljenom tokom ovog tretmana, a zatim se pretvara u martenzit pod dovoljno velikom brzinom hlađenja u kontinualnom vodu za žarenje (CAL) ili liniji za kontinuirano pocinčavanje (CGL). Mo legura smanjuje kritičnu brzinu hlađenja koja je potrebna za potpuno martenzitnu transformaciju. Stoga se i dalje mogu koristiti CGL-ovi koji nisu posebno dizajnirani za proizvodnju DP-čelika, što omogućava proizvođaču čelika veću fleksibilnost u pogledu planiranja proizvodnje i rasporeda.

TRIP čelik se ne gasi ispod početne temperature martenzita odmah nakon međukritičnog žarenja, već na srednju temperaturu da bi se dobio bainit bez karbida. Nakon razdoblja zadržavanja na ovoj temperaturi, bainit bez karbida pretvara se u zadržani austenit i bainitni ferit. Mo čini ovu transformaciju bainita izuzetno tromom. Za dulje vrijeme držanja može se dobiti TR-potpomognuti DP čelik. Smanjivanje vremena zadržavanja u bainitskom području rezultira DP čelikom, rezultat preferencijalne transformacije u martenzit. Dodaci Mo mogu pomoći u postizanju većeg sadržaja martenzita i nižeg zadržavanja sadržaja austenita nakon obrade. Ovo izuzetno povećava vlačnu čvrstoću bez previše pogoršanja zavarljivosti u pogledu ekvivalenta ugljika.

Mikrostruktura CP čelika postiže se kada se bainit bez karbida razgradi u nekoliko frakcija kao što su zadržani austenit, martenzit i bainitni ferit. Frakcija martenzita povećava vlačnu čvrstoću, bainitni ferit povećava veliku granicu popuštanja, a zadržana frakcija austenita povećava produljenje.

Slika 4. Učinak dodavanja Mo na pojavu grubljenja na precipitate Ti / Nb karbida u feritu.

Tipični uzorci ispitivanih čelika od molegirane HSLA koji pokazuju izvrsno ponašanje pri hladnom oblikovanju (gornje slike) i automobilske komponente povezane s ispitivanjima (donje slike). Lijevi vrh: test višestrukog savijanja (GG; rupčić GG;). Lijevo dno: visoko deformirana ruka ovjesa. Desno gore: test širenja rupe. Desno dno: oblikovani kotači.

Typical Mo-alloyed HSLA applications requiring good cold forming behaviour