Kekuatan Tinggi Tembaga Baja untuk Mobil Tangki Rail Bridges
Tembaga Aplikasi dalam Metalurgi Paduan Tembaga dan Tembaga
Desember 2006
Abstrak | Pendahuluan | Hasil | Ringkasan | Jembatan Aplikasi | Penulis | Referensi
Abstrak
Pengembangan lebih tinggi kekuatan-tinggi baja ketangguhan untuk aplikasi mobil tangki telah menjadi target selama bertahun-tahun untuk meningkatkan kinerja keseluruhan mobil tangki kereta api. Selama sepuluh tahun terakhir, tiga nilai dari baja karbon rendah tembaga presipitasi-keras telah dikembangkan (NUCu-60, NUCu-70 dan NUCu-100) dalam penelitian kolaborasi antara Universitas Northwestern dan Ispat-Inland Inc Kedua rendah-kekuatan nilai yang dihasilkan oleh pendingin udara setelah hot rolling. Para NUCu-60 Grade (Supertough cryogenic Steel) memiliki tegangan luluh dari 415 MPa (60 ksi) dan ketangguhan yang luar biasa pada suhu kriogenik; lebih dari 350 J (264 ft-lbs), sampai dengan -79 ° C (-110 ° F). Para NUCu-70 kelas memiliki setidaknya 485 MPa (70 ksi) kekuatan luluh. Komposisi NUCu-100 kelas adalah sama dengan NUCu-70. Kekuatan yang lebih tinggi dicapai dengan pendinginan dari suhu austenitizing dan penuaan. Sifat mekanik serta tahan korosi dan pengelasan sifat-sifat baja dibahas. Akhirnya, pembaruan tersebut diberikan atas jembatan yang baru dibangun menggunakan material ini di Illinois.
Pengenalan 
Pada saat ini sebagian besar tangki mobil kerang yang dibuat dari 50 ksi berkadar baja kekuatan TC128B karbon-mangan yang berisi lebih dari 0,25% karbon dan mangan 1%. Baja ini memiliki parameter karbon setara mampu las yang relatif tinggi. Selain itu baja memiliki karakteristik ketangguhan patah marjinal pada suhu rendah. Yang lebih mudah weldable baru, kekuatan yang lebih tinggi dan lebih tinggi baja ketangguhan patah dicari untuk tangki mobil aplikasi. Serangkaian baja kekuatan tinggi (seperti dijelaskan di bawah) yang memenuhi persyaratan ini dikembangkan di Northwestern University. Ini adalah calon yang sangat baik untuk substitusi baja TC128B dalam aplikasi shell mobil tangki. Ini baja memiliki kandungan karbon yang lebih rendah. Penguatan ini berasal dari presipitasi tembaga di udara pendingin dari hot rolling. Ni ditambahkan untuk mencegah panas-sesak selama rolling panas. Nb dan Ti ditambahkan untuk mengendalikan ukuran butir selama rolling panas dan pengelasan.Karena baja NUCu terutama feritik, mereka tidak mengandung paduan untuk meningkatkan kemampuan pengerasan tersebut. Penyelidikan awal dilakukan dengan memanaskan laboratorium. Tujuh 45,4 kg laboratorium memanaskan baja yang mencair pada Ispat-Inland Departemen R & D dengan pelelehan vakum untuk bekerja di luar komposisi dan kondisi pengolahan. Tiga 135-kg laboratorium memanaskan dicairkan di Pusat Penelitian Perusahaan US Steel. Untuk mengevaluasi produksi baja komersial, dua 80.000 kg memanaskan diproduksi di Oregon Steel Mills. Salah satu memanaskan digunakan untuk rehabilitasi jembatan di Illinois. Lembaran tebal dilemparkan di Oregon Steel Mills juga berhasil digulung panas di US Corporation Steel Works Gary. Sementara beberapa hasil penelitian yang disajikan di sini secara terpisah diterbitkan sebelumnya 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , makalah ini mengikat mereka bersama-sama dengan hasil yang belum dipublikasikan sebelumnya.
Baja berkekuatan tinggi memungkinkan penggunaan bagian lebih tipis untuk menghemat berat. Mampu las secara signifikan meningkat selama baja karbon tinggi harus menyederhanakan dan mengurangi biaya fabrikasi. The 60 dan 70 ksi versi baja digunakan dalam kondisi canai panas sehingga menghemat biaya normalisasi. Kadar tembaga tinggi memberikan ketahanan korosi lebih besar secara signifikan, tidak dicat atau dicat, dari baja pelapukan biasa sehingga meminimalkan biaya mobil tangki pemeliharaan. Baja NUCu tampaknya menjadi alternatif yang hemat biaya untuk baja ini digunakan untuk konstruksi tangki mobil.
Hasil
Mekanikal Properti
NUCu-60, seperti ditunjukkan pada Tabel I, berisi Ti yang lebih tinggi yang mengikat para interstisi. Para NUCu-60 panas baja vakum meleleh dan hot-rolled menjadi 0,5-inci-tebal pelat di Ispat Inland. Para NUCu-70 dan NUCu-100-kelas baja yang dilemparkan di Oregon Steel Mills dan panas digulung US Steel Company Pekerjaan Gary.Komposisi tersebut juga diberikan dalam Tabel I Sementara 70-80-ksi-hasil stres dicapai pada pelat baja hot-rolled dan berpendingin udara sampai 2-inci tebal pendinginan, air dan penuaan yang diperlukan untuk mencapai 100-ksi-menghasilkan. stres. Makalah ini menjelaskan sifat-sifat NUCu-70 dan-100 NUCu baja yang dilemparkan di Oregon Steel Mills dan kemudian dicanai panas menjadi 0,75 dan 1-inch-tebal pelat di Perusahaan Baja AS. Baja NUCu-70 diuji dalam (a) sebagai-digulung dan (b) sebagai-digulung dan dinormalisasi pada 900 ° C. Para NUCu-100 baja austenitized pada 900 ° C, air dipadamkan dan kemudian berusia di 525 ° C selama 1 jam.
Spesimen tarik bulat dengan bagian pengukur dari 50,8 mm (2 inci) (ASTM E 8 Standard) dan spesimen Charpy (ASTM E 23 Standar) yang mesin dalam arah longitudinal dari ketebalan seperempat piring dan diuji. Beberapa spesimen diuji dengan variasi sangat sedikit diamati. Sifat mekanik dari baja tercantum dalam Tabel II. Tabel IIImenunjukkan energi impak Charpy diserap baja.
| C | Mn | Si | Cu | Ni | Ti | Nb | |
| NUCu-60 (Ispat-Inland) | 0.03 | 0.53 | 0.52 | 1.29 | 0.52 | 0.10 | 0.06 |
| NUCu-70 dan NUCu-100 (OSM / USS) | 0.06 | 0.78 | 0.38 | 1.35 | 0.84 | 0.03 | 0.38 |
| Hasil Stres MPa (ksi) | UTS MPa (ksi) | Pemanjangan (%) | |
|---|---|---|---|
| NUCu-60 panas digulung | 413 (60) | 551 (80) | 27 |
| NUCu-70-hot-rolled | 503 (73) | 567 (82) | 32 |
| NUCu-70-hot-rolled-normalisasi | 461 (67) | 546 (79) | 36 |
| NUCu-100 | 712 (103) | 780 (113) | 26 |
| NUCu-60 Hot-Rolled (Ref) | NUCu-70 (Hot-Rolled) | NUCu-70 (Hot-Rolled, Normalized) | NUCu-100 | |
|---|---|---|---|---|
| 24 (+75) | > 360 (> 264) | |||
| 0 (+32) | > 360 (> 264) | 206 (151) | 257 (188) | 132 (97) |
| -12 (+10) | > 360 (> 264) | 202 (148) | 255 (187) | 115 (84) |
| -23 (-10) | > 360 (> 264) | 192 (141) | 242 (177) | 89 (65) |
| -40 (-40) | > 360 (> 264) | 161 (118) | 233 (171) | 64 (47) |
| -62 (-80) | > 360 (> 264) | |||
| -79 (-110) | > 360 (> 264) |
Dampak fraktur pengujian NUCu-60 baja menunjukkan ketangguhan patah yang luar biasa dinamis; sampel Charpy tidak patah turun ke -79 ° C (-110 ° F), mereka membungkuk dalam aparatus Charpy sebagai palu berayun melalui.
Sampel baja NUCu-70 diuji sebagai hot-rolled kondisi memiliki tegangan luluh dari 503 MPa (73 ksi) dan UTS dari 567 MPa (82 ksi). Perpanjangan kegagalan relatif tinggi, 32% yang patah patah energi Charpy diserap juga tinggi, J 161 (118 ft-lbs) pada -40 ° C, ini jauh lebih tinggi dari yang dibutuhkan untuk konstruksi atau tangki mobil aplikasi.Normalisasi baja ini pada 900 ° C meningkatkan energi Charpy, namun mengurangi hasil untuk 461MPa (67 ksi) dan UTS untuk 546 MPa (79 ksi). NUCu-70 baja lebih dari memenuhi syarat untuk digunakan dalam tangki mobil konstruksi dalam kondisi panas linting dan berpendingin udara karena kekuatan dan energi impak Charpy diserap secara signifikan melampaui persyaratan untuk aplikasi tersebut.
Ketika NUCu baja kelas 70 kekuatan luluh ksi telah padam dari 900 ° C dan didiamkan selama 1 jam. di 525 ° C tegangan luluh meningkat menjadi 712 MPa (103 ksi) dan UTS sampai 780 MPa (113 ksi) dengan perpanjangan 26% kegagalan. Energi fraktur Charpy diserap lebih rendah dari itu untuk NUCu-70 baja, 64 J (47 ft-lb) pada -40 ° C, nilai yang dapat diterima untuk baja berkekuatan tinggi pada suhu rendahWelding
Karena tingkat karbon sangat rendah dan tidak adanya unsur-unsur yang digunakan untuk meningkatkan kemampuan pengerasan seperti kromium dan baja molibdenum NUCu memiliki setara las karbon sangat rendah.Gambar 1 menunjukkan diagram Graville memprediksi mampu las. Berikut konsentrasi karbon diplot terhadap setara karbon dihitung sebagai CE = C + (Mn + Si) / 6 + (Ni + Cu) / 15 + (Cr + Mo + V) / 5. Diagram Graville dibagi menjadi tiga zona. Di Zona I lasan diproduksi di bawah kondisi pengelasan yang paling tidak rentan terhadap retak, di Zona II pengelasan membutuhkan pra-pemanasan dan pasca pemanasan untuk mencegah retak dan dalam Zona III panas yang terkena dampak-zona (HAZ) sangat rentan terhadap cracking. Seperti yang tampak pada Gambar 1,NUCu baja memiliki konsentrasi karbon rendah dan setara karbon jauh di dalam Zona I dan dengan demikian tidak memerlukan pra-panas dan pasca panas untuk las, TC128B tangki mobil baja dengan konsentrasi karbon yang lebih tinggi dan setara karbon yang lebih tinggi jatuh ke Zona II dekat dengan perbatasan dengan Zona III menunjukkan kesulitan dalam pengelasan dan kerentanan terhadap retak HAZ.
Gambar 1. Diagram mampu las Graville
Sebelumnya pengelasan yang berbeda kalor NUCu-70 baja dievaluasi tanpa pra-panas atau pasca-panas oleh busur rendam (SAW) proses dan juga oleh proses manual dalam lingkungan toko konstruksi (Trinity Bridge dan Perusahaan Konstruksi Arlington). Habis pakai yang cocok digunakan. Tidak ada zona yang terkena panas rapuh dibentuk. Steel juga telah dilas di laboratorium pengelasan di Northwestern University tanpa pra-panas atau pasca-panas menggunakan LINCOLWELD LA100 kawat dan fluks LINCOLNWELD 880M dalam proses SAW. Dua nilai panas-masukan yang digunakan, 1,4 KJ / bb (35 kJ / in) dan 3,9 KJ / bb (98 kJ / in). Tabel IV menunjukkan bahwa energi impak Charpy diserap untuk spesimen dilas termasuk zona panas terkena adalah luar biasa tinggi untuk input "rendah" panas dan melebihi persyaratan standar untuk input panas tinggi.
| Masukan Panas kJ / mm (kJ / dalam) | Charpy Terserap Dampak Energi (J (ft-lbs)) Pengujian pada Temperatur, ° C (° F): | |||
|---|---|---|---|---|
| 24 (75) | -12 (10) | -23 (-10) | -40 (-40) | |
| 1.4 (35) | 241 (176) | 242 (177) | 224 (164) | 187 (137) |
| 3.9 (98) | 206 (151) | 70 (51) | 79 (58) | 52 (38) |
Gandakan G-BOP tes yang dilakukan di Research Baja AS dan Pusat Teknologi menggunakan input panas sebesar 1,4 KJ / bb (35 KJ / inci) dan AWS hidrogen rendah E7018 dan E9018 elektroda tanpa pra-panas atau pasca-panas tidak menunjukkan logam las retak pada lasan atau pelat dasar.
Stupp Perusahaan Bridge, Bowling Green, Kentucky, baru-baru melakukan Kualifikasi Prosedur (PQR) Uji SAW tanpa pra-dan pasca panas-panas menggunakan Lincoln LA85 elektroda dan MIL800-HPNi fluks. Masukan panas adalah 2,36 KJ / bb (60 KJ / inci). Dalam tes fraktur pada -30 ° C (-22 ° F) energi impak Charpy diserap rata-rata adalah 124 J (91 ft-lb). Persyaratan oleh Welding American Society Standar adalah 34 J (25 ft-lb) pada suhu ini.
Korosi Perlawanan
Tembaga secara signifikan meningkatkan ketahanan korosi baja dalam lingkungan laut dan daratan 6 , 7 , dan kadar tembaga tinggi dalam NUCu baja efektif dalam secara substansial mengurangi berat badan dalam tes pelapukan dipercepat.
Gambar 2 membandingkan penurunan berat badan baja NUCu itu untuk baja A36 dan beberapa baja pelapukan dalam SAE J2334 tes dipercepat standar yang dilakukan di Betlehem Steel Corporation oleh Townsend 7 .Hilangnya ketebalan baja A36 was133% lebih besar dari NUCu baja. Kerugian ketebalan dari baja A588 pelapukan dan HPS70W baja A709 adalah 69% lebih besar dari NUCu baja. Menggunakan database yang ada indeks korosi telah dibentuk dan indeks untuk NUCu baja jauh lebih rendah dari itu untuk baja struktural lainnya 6 , 7 , 8 .
Gambar 2. Korosi Kehilangan Konstruksi dan Baja Pelapukan(Data dari tes dipercepat otomotif J2334 SAE dipercepat standar yang dilakukan di Betlehem Steel Corporation oleh Townsend 7 )
Tingkatan baja sama dilapisi dengan epoxy berbasis 890 cat Carboguard (Carboline Perusahaan), tergores dan kemudian diuji dalam ruang garam-kabut (D1654-92 Standar 9 , 49,97 g / liter larutan garam). Tingkat korosi diukur setelah terpapar pada 35 ° C selama 3 minggu. Hasil tes ditampilkan dalam Gambar 3. Lebar dari daerah berkarat berdekatan dengan goresan diukur dan ditunjukkan pada Gambar 4. Sekali lagi NUCu baja menunjukkan ketahanan korosi terbaik; permukaan terkorosi pada goresan dari A36, A588 dan A709 70W HPS baja adalah 93%, 52% dan 54% masing-masing lebih luas dibandingkan dengan NUCu baja.
Gambar 3. Panel Baja Painted Setelah 3 Minggu, 35 ° C Paparan di Salt-kabut Kamar(Dari kiri ke kanan: A36, A588, ASTM HPS 70W; NUCu baja)
Gambar 4. Lebar Goresan Terkorosi pada Panel Baja Painted Setelah 3 Minggu, 35 ° C Paparan di Salt-kabut Kamar
Ringkasan
Informasi yang disajikan dalam makalah ini menunjukkan bahwa NUCu 70 khususnya memiliki keunggulan dibandingkan TC128B baja saat ini digunakan oleh industri manufaktur tangki mobil. Kekuatan yang lebih tinggi harus memberikan penghematan berat badan. Ketangguhan impak patah tulang lebih tinggi meringankan terhadap kegagalan rapuh terutama pada suhu rendah. Sedangkan Cu dan Ni paduan dibutuhkan biaya kenaikan baja, normalisasi tidak diperlukan, NU-Cu baja digunakan dalam kondisi digulung sebagai panas. Para mampu las yang lebih baik yang ditunjukkan dengan posisi pada Diagram Graville secara signifikan harus mengurangi biaya fabrikasi. Pra-panas atau pasca-panas dapat dihilangkan. Semakin baik pelapukan dan ketahanan korosi juga plus.Jika dampak resistensi fraktur yang beredar pada suhu yang sangat rendah adalah faktor, Supertough NUCu 60 adalah kandidat. Untuk aplikasi kekuatan masih lebih tinggi NUCu 100 mungkin merupakan paduan pilihan.
Jembatan Aplikasi
The Illinois Departemen Perhubungan (IDOT) baru-baru ini mengumumkan selesainya jembatan baru di Lake Villa, Lake County (Illinois), dibangun dengan tipe terobosan performa tinggi baja dikembangkan oleh para peneliti teknik di Northwestern University.
Gambar 5. New Bridge di Danau Villa di Lake County Dibangun dengan Steel Cu Dikembangkan di Northwestern University
Sekitar 500 ton baja paduan tembaga, yang dikenal sebagai ASTM A 710 Grade B performa tinggi baja struktural, digunakan dalam membangun rentang 430-kaki yang membawa Rt Illinois. 83 di atas trek Railroad Kanada Nasional. "IDOT adalah gembira tentang kemungkinan yang ditampilkan oleh jenis baru yang hemat biaya baja, kinerja tinggi yang dikembangkan di sini, di Illinois," kata Sekretaris IDOT Timothy W. Martin. "Tidak hanya baja ini kuat, keras dan mudah untuk mengarang, tetapi tahan terhadap unsur-unsur yang lebih baik dari baja biasa, yang berarti tidak harus dicat. Hal ini membuat konstruksi lebih mudah dan secara signifikan akan mengurangi biaya jangka panjang pemeliharaan. "
IDOT sedang dalam proses untuk mendaftar ke American Society for Testing dan Material (ASTM) dan American Association of State Highway dan Pejabat Transportasi (AASHTO) untuk memiliki baja ditetapkan sebagai standar untuk konstruksi jembatan. Penggunaan sebelumnya hanya berada di rehabilitasi Poplar St Jembatan di atas Sungai Mississippi di daerah Timur Metro.
Baja ini memiliki kekuatan sebesar 70.000 pound per square inch (psi) dibandingkan dengan 50.000 psi pada baja struktural umum digunakan. Hal ini juga mudah untuk mengelas, dan tes telah menunjukkan itu berdampak tinggi ketangguhan pada suhu rendah. Selain itu, kadar tembaga tinggi memberikan paduan perlawanan jauh lebih baik terhadap korosi atmosfer daripada yang lain performa tinggi baja.
"Kami mengembangkan baja ini sembilan tahun yang lalu dan aplikasi telah lama datang," kata Morris E. Fine, profesor emeritus ilmu dan teknik material di Northwestern University, yang mengembangkan paduan baru dengan Research rekannya Profesor Semyon Vaynman dan dengan kunci dukungan dari Northwestern Infrastruktur Institut Teknologi (ITI). "Baja ini adalah biaya-efektif karena pengolahannya lebih murah daripada bersaing baja struktural dari kekuatan yang sama, ketahanan pelapukan yang terbaik, dan lebih mudah untuk mengelas."
"Kami senang melihat baja kita digunakan dalam jembatan baru dan berharap bahwa baja akan digunakan dalam jembatan lain di Illinois maupun di negara lain," kata Vaynman, penelitian profesor ilmu dan teknik material di Northwestern.
"Selama lebih dari setengah abad, Profesor Rupa telah menjadi salah satu pemimpin mani dalam ilmu material teknik seluruh dunia," kata David Schulz, direktur ITI. "Infrastruktur Teknologi Institute adalah senang dan bangga telah mendukung pengembangan timnya dari baja kekuatan tinggi digunakan dalam jembatan 83 rute. Kami berharap dapat terus membantu dia 'mendorong amplop' baja yang selalu kuat dan lebih ekonomis. "
Danau Villa jembatan dibangun oleh Dunnet Bay Co dengan nilai kontrak sebesar $ 5.750.000. Perancang jembatan itu Graef Schloemer dan Associates of Chicago. Baja ini diproduksi oleh Amerika Serikat Mittal Steel di Coatesville (Pennsylvania), dan dibuat di Industri Konstruksi Baja di Gary (Indiana). IDOT menerima dana federal untuk membayar baja melalui Dana Jembatan Riset Federal Inovatif.
Proyek ini diawasi untuk IDOT oleh Insinyur Resident Mario Biondolillo. Juga memainkan peran kunci untuk IDOT pada proyek ini Chris Hahin, peneliti utama dan insinyur metalurgi untuk departemen. IDOT perkiraan tidak harus mengecat baja menghemat $ 300.000. Jembatan baru menggantikan struktur yang berasal dari 1929. Konstruksi dilakukan secara bertahap untuk menjaga lalu lintas mengalir di Rt. 83.
Penulis
Prof Semyon Vaynman dan Prof Morris E. Rupa
Prof S. Vaynman dan Prof ME Rupa : Departemen Ilmu dan Teknik Material, Northwestern University, 2220 Hard Kampus, Evanston, IL 60208-3108.
SP Bhat: Ispat-Pedalaman, Ispat Inland Departemen R & D, 3001 Timur Columbus Drive, East Chicago, IN 46312.
1. ME Rupa dkk, Simposium Internasional Baja Karbon Rendah untuk 90-an (Cincinnati, OH, ASM International, 1993), 511.. 2. S. Vaynman dkk, Bahan untuk Milenium Baru., Prosiding Konferensi Teknik Bahan Keempat (New York, NY, ASCE, 1996), 1551. 3. S. Vaynman, I. Uslander, dan ME Baik, Prosiding Kerja Teknik ke-39 dan Baja Konferensi Pengolahan(Indianapolis, IN, ISS, 1997), 1183. 4. S. Vaynman, ME Baik, Simposium Internasional tentang Baja untuk Struktur Fabrikasi, (Cincinnati, OH, ASM International, 1999), hal. 59.
Posts
![](http://<img src="cooltext590568507.png" onmouseover="this.src='cooltext590568507MouseOver.png';" onmouseout="this.src='cooltext590568507.png';" />)
No comments
Post a Comment