Niobin vaikutus matalahiilisen martensiittisen ruostumattoman teräksen ominaisuuksiin
Hurmerinta, Teemu (2020)
2020
Degree Programme in Materials Science and Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004304803
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004304803
Tiivistelmä
Työn tarkoituksena oli tutkia niobiseostuksen vaikutusta matalahiilisen (C ≤ 0,03 p-%) martensiittisen 13Cr4Ni ruostumattoman teräksen mekaanisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Tämän lisäksi tutkittiin, miten päästön prosessiparametreilla, kuten päästölämpötilalla ja -ajalla, voidaan vaikuttaa näihin ominaisuuksiin. Työ tehtiin Tevo Lokomo Oy:llä yhteistyössä Tampereen yliopiston kanssa. Tevo Lokomon valmistamiin teräspotkurivaluihin päätynyt niobi (max. 0,02 p-%) on peräisin uunien vuorauksista. Sen edellytyksenä on, että teräspotkureita ennen on valettu niobilla seostettuja kappaleita, kuten terästeollisuuteen tarkoitettuja kelaimia.
Tutkimusta varten potkurimateriaalista valettiin koelaattoja, joista osaan oli lisätty 0,02 p-% niobia. Koelaatat karkaistiin ja niille suoritettiin päästökokeita vaihdellen päästölämpötilaa 590 ja 630 °C:n ja päästöaikaa 5 ja 12 tunnin välillä. Tämän jälkeen niille suoritettiin veto- ja iskukokeet, kovuusmittaukset sekä mikrorakennetarkastelu optisella mikroskoopilla. Terästen korroosio-ominaisuuksien selvitystä varten suoritettiin polarisaatiomittaukset keinotekoisessa merivesiliuoksessa.
Niobilla seostettujen koelaattojen myötö- ja murtolujuus kasvoivat keskimäärin noin 50–75 MPa perusmateriaaliin verrattuna. Päästölämpötilaa ja -aikaa kasvattamalla lujuusarvot laskivat molempien materiaalien kohdalla lineaarisesti. Lujuuden lisäksi niobiseostettujen laattojen kovuus kasvoi, ja osalla koelaatoista se ylitti ylärajana pidetyn 300 HB:n arvon. Päästökäsittelyistä riippumatta perusmateriaalin iskusitkeydet olivat yli 150 J, kun taas niobiseostus aiheutti iskusitkeysarvoissa selkeän notkahduksen sekä huoneenlämpötilassa että 0 °C:ssa suoritettujen iskukokeiden osalta. Osassa näytteitä iskusitkeys laski alle 100 joulen, ja haurasmurtuman osuus murtopinnasta oli merkittävä. Laattojen korroosionkestossa ei havaittu polarisaatiokokeiden perusteella merkittäviä eroja. Metallografisin keinoin pystyttiin havaitsemaan, että perinnäisen austeniitin raekoko ei poikennut merkittävästi koemateriaalien välillä. Molempien koemateriaalien mikrorakenne oli pääosin päästettyä sälemartensiittia, jossa havaittiin pieniä määriä delta-ferriittiä. Jäännösausteniittia ei pystytty havaitsemaan optisella mikroskoopilla sen hyvin pienen osuuden vuoksi.
Tutkimuksen perusteella voidaan olettaa niobin aiheuttavan ei-toivottuja laatuvaihteluja Tevo Lokomon potkurimateriaaliin. Lujuusvaihtelut perusmateriaaliin nähden hankaloittavat potkurisuunnittelijoiden mitoitustyötä. Asiakkaiden vaatimukset, kuten riittävän alhainen myötö- ja murtolujuuden suhde sekä kovuus, saattavat nykyisillä päästön prosessiparametreilla ylittyä niobiseostetun materiaalin kohdalla. Iskukokeissa havaittu haurastuminen on myös osoitus ominaisuuksien huononemisesta. Materiaaliominaisuuksien tasalaatuisuuden parantamiseksi konvertterin vuorauksiin jäänyt niobi pitäisi pyrkiä nykyistä tehokkaammin minimoimaan, tai niobilla seostettujen valukappaleiden jälkeen ei saisi heti valaa potkureita.
Tutkimusta varten potkurimateriaalista valettiin koelaattoja, joista osaan oli lisätty 0,02 p-% niobia. Koelaatat karkaistiin ja niille suoritettiin päästökokeita vaihdellen päästölämpötilaa 590 ja 630 °C:n ja päästöaikaa 5 ja 12 tunnin välillä. Tämän jälkeen niille suoritettiin veto- ja iskukokeet, kovuusmittaukset sekä mikrorakennetarkastelu optisella mikroskoopilla. Terästen korroosio-ominaisuuksien selvitystä varten suoritettiin polarisaatiomittaukset keinotekoisessa merivesiliuoksessa.
Niobilla seostettujen koelaattojen myötö- ja murtolujuus kasvoivat keskimäärin noin 50–75 MPa perusmateriaaliin verrattuna. Päästölämpötilaa ja -aikaa kasvattamalla lujuusarvot laskivat molempien materiaalien kohdalla lineaarisesti. Lujuuden lisäksi niobiseostettujen laattojen kovuus kasvoi, ja osalla koelaatoista se ylitti ylärajana pidetyn 300 HB:n arvon. Päästökäsittelyistä riippumatta perusmateriaalin iskusitkeydet olivat yli 150 J, kun taas niobiseostus aiheutti iskusitkeysarvoissa selkeän notkahduksen sekä huoneenlämpötilassa että 0 °C:ssa suoritettujen iskukokeiden osalta. Osassa näytteitä iskusitkeys laski alle 100 joulen, ja haurasmurtuman osuus murtopinnasta oli merkittävä. Laattojen korroosionkestossa ei havaittu polarisaatiokokeiden perusteella merkittäviä eroja. Metallografisin keinoin pystyttiin havaitsemaan, että perinnäisen austeniitin raekoko ei poikennut merkittävästi koemateriaalien välillä. Molempien koemateriaalien mikrorakenne oli pääosin päästettyä sälemartensiittia, jossa havaittiin pieniä määriä delta-ferriittiä. Jäännösausteniittia ei pystytty havaitsemaan optisella mikroskoopilla sen hyvin pienen osuuden vuoksi.
Tutkimuksen perusteella voidaan olettaa niobin aiheuttavan ei-toivottuja laatuvaihteluja Tevo Lokomon potkurimateriaaliin. Lujuusvaihtelut perusmateriaaliin nähden hankaloittavat potkurisuunnittelijoiden mitoitustyötä. Asiakkaiden vaatimukset, kuten riittävän alhainen myötö- ja murtolujuuden suhde sekä kovuus, saattavat nykyisillä päästön prosessiparametreilla ylittyä niobiseostetun materiaalin kohdalla. Iskukokeissa havaittu haurastuminen on myös osoitus ominaisuuksien huononemisesta. Materiaaliominaisuuksien tasalaatuisuuden parantamiseksi konvertterin vuorauksiin jäänyt niobi pitäisi pyrkiä nykyistä tehokkaammin minimoimaan, tai niobilla seostettujen valukappaleiden jälkeen ei saisi heti valaa potkureita.