Badania na płycie odpornej na zużycie o wytrzymałości 800 MPa i doskonałej spawalności w Japonii
Jednym z tematów badawczych japońskiego projektu „Super Steel” są „Badania nad wysokowytrzymałymi płytami odpornymi na zużycie klasy 800 MPa i doskonałą spawalnością”. Obecnie wytrzymałość na rozciąganie ferrytycznej stali perlitowej wynosi poniżej 500 MPa, a płyta odporna na zużycie o wysokiej wytrzymałości i wytrzymałości na rozciąganie przekraczającej 500 MPa powstaje głównie przez dodanie składników stopowych w celu utworzenia bainitu, odpuszczonego martenzytu i innych płyt odpornych na zużycie o wysokiej wytrzymałości . Jednak wraz ze wzrostem pierwiastków stopowych nie tylko zwiększa koszt stali, ale także zwiększa trudność wytwarzania i rafinacji stali, a co ważniejsze, wydajność spawania pogarsza się, a wytrzymałość zmęczeniowa połączeń spawanych z blachy odpornej na zużycie o wysokiej wytrzymałości wynosi tylko 60 ~ 100 MPa (10% wytrzymałości osnowy metalu nieszlachetnego). Stal ferrytyczna o podstawowym składzie C-Si-Mn ma dobrą spawalność, ale wytrzymałość płyt odpornych na zużycie o wysokiej wytrzymałości, wytwarzanych przy użyciu obecnej technologii, jest ograniczona, dlatego celami badawczymi tego tematu są: W oparciu o skład C- Si-Mn, wielkość ziaren rozdrobniono z 10 μm do 1 μm poprzez rozdrobnienie ziarna i uzyskano równowagę wytrzymałości i twardości ultradrobnej struktury kompozytowej ferryt-2-perlit. Opracowano stal ultradrobnoziarnistą o wytrzymałości na rozciąganie 800 MPa. Jednocześnie opracowano proces spawania superodpornej na zużycie płyty o doskonałych parametrach spawania. W tym celu temat ten jest badany pod kątem dwóch następujących aspektów.
(1) Rozwój najdrobniejszych materiałów krystalicznych. Najdrobniejsze ziarna ferrytu można wytworzyć stosując duże odkształcenia plastyczne. Jednakże, gdy do odkształcenia jednokierunkowego przykłada się duże odkształcenie plastyczne, odkształcenie materiału w kierunku grubości nie jest równomierne, co powoduje, że odkształcenie koncentruje się głównie w środkowej części próbki. Nagai i in. zastosowanie techniki „odkształcenia wielokierunkowego” do przygotowania najdrobniejszych ziaren ferrytu, które charakteryzuje się zastosowaniem odkształcenia dwukierunkowego lub wielokierunkowego, może znacznie poprawić nierównomierny rozkład odkształceń, co sprzyja uzyskaniu jednolitej ultradrobnej mikrostruktury.
Nagai i in. zbadał zmianę ziarna stali węglowej o składzie chemicznym (%) {{0}},16C-0,4Si-1,4Mn, korzystając z wielokierunkowego symulatora obróbki termomechanicznej z odkształceniami opracowanego w laboratorium. Wyniki wykazały, że stal drobnoziarnista przygotowana metodą „odkształcenia wielokierunkowego” charakteryzuje się bardziej jednolitą strukturą ultradrobnego kryształu. Cechą wielokierunkowego symulatora obróbki cieplno-mechanicznej jest to, że próbkę można obracać o 90 stopni dla każdej rolki. Nagai i in. pomyślnie przygotowano pręt o wymiarach Φ18mm×20000mm ze stali niskowęglowej Si-Mn, stosując technologię walcowania wielokierunkowego walcarki laboratoryjnej. Po rozdrobnieniu wielkości ziaren stali z 10 μm do 0,5 μm granicę plastyczności płyty odpornej na zużycie o wysokiej wytrzymałości można zwiększyć z 320 MPa do 740 MPa. Kiedy wielkość ziarna walcowanej na gorąco blachy stalowej o wymiarach 12 mm × 700 mm × Cmm jest rafinowana do 1 μm, wytrzymałość na rozciąganie płyty odpornej na zużycie o wysokiej wytrzymałości osiąga 800 MPa, a przygotowana, walcowana na gorąco płyta odporna na zużycie o wysokiej wytrzymałości ma jednolitą ultradrobne ziarna w kierunku grubości.
W centrum uwagi znajduje się anizotropia właściwości mechanicznych grubych blach stalowych, powstająca w wyniku dużych odkształceń, a zwłaszcza zmniejszenia udarności w niektórych kierunkach. W tym celu Nagai i in. zastosował metodę „walcowania krzyżowego pod dużym kątem”, aby zmienić orientację krystaliczną materiału. Poprzez walcowanie poprzeczne można skutecznie zmienić teksturę lub (100) wskaźnik biegunowy materiału, tak że różnica wytrzymałości i temperatury przejścia krucho-kruchego w kierunku poprzecznym i walcowania materiału jest bardzo mała.
(2) Badania nad technologią wysokowydajnego spawania stali ultradrobnoziarnistych. Jednym z najważniejszych problemów w zastosowaniu przemysłowym stali ultradrobnoziarnistej jest mięknięcie SWC. Tradycyjna metoda spawania zmniejszy wytrzymałość złącza ze względu na zmiękczenie HAZ spowodowane zgrubieniem ziaren. ReisukeITO i in. opracował nową metodę spawania w osłonie gazu o bardzo wąskiej szczelinie. Drugie spawanie blachy stalowej o grubości 19 mm, skład chemiczny (%) blachy stalowej wynosi 0.15C-1.50Mn-0.20Si-0.02P{{ 14}}.002S, szerokość SWC wynosi tylko 3 mm, a twardość złącza jest niższa niż HV250, dzięki czemu można skutecznie zapobiegać pęknięciom spawalniczym i korozjom naprężeniowym.
S. sukamoto i in. wykorzystał sprzęt do spawania laserowego dużej mocy 2{{4}kWCO2 w celu zbadania metod spawania i właściwości połączeń ultradrobnoziarnistej stali o składzie chemicznym (%) wynoszącym 0,049C-1,50Mn-0. 981Si-0.021P-0.0009S, którego celem jest zminimalizowanie uszkodzeń ultradrobnej struktury kryształów. Jednocześnie wyraźnie poprawiają się właściwości połączeń spawanych. AkihikoOHTA i in. opracował drut spawalniczy o niskiej temperaturze przejścia o zwiększonej wytrzymałości zmęczeniowej. Drut spawalniczy zawiera 10% Cr i 10% Ni, a początkowa temperatura konwersji austenitu w martenzyt wynosi około 180 stopni, a końcowa temperatura przemiany to temperatura pokojowa. Kiedy następuje przemiana martenzytyczna, rozszerzanie się metalu spoiny powoduje powstanie naprężeń ściskających wokół spoiny, co zwiększa wytrzymałość zmęczeniową złącza spawanego. Wytrzymałość zmęczeniowa złącza pręta ultradrobnoziarnistego o uziarnieniu 1 μm wynosi do 300 MPa, czyli o 100 MPa więcej niż w przypadku tradycyjnego drutu spawalniczego.
