CS211362B2

CS211362B2 - Non-alloyed of low alloyed bainitic hardenable steel alloy and method of making the same

Info

Publication number: CS211362B2
Application number: CS791731A
Authority: CS
Inventors: Peter Listemann; Walter Ritt; Reinhold Zsalatz; Hans-Dieter Seghezzi
Original assignee: Hilti Ag
Priority date: 1978-04-21
Filing date: 1979-03-15
Publication date: 1982-02-26
Also published as: SE7903448L; PL136257B1; FR2423549B1; PL215033A1; ES479774A1; DK162779A; GB2019436B; NO153933B; NL191388B; FI69121B; FI69121C; AT393279B; SE449229B; BR7902454A; CA1137337A; NL7901840A; DE2817628A1; BE875730A; SU1232147A3; YU80279A

Description

Vynález se týká nelegavané nebo nízko legované · balniticky tvrditelné ocelové slitiny s pomalou . přeměnou o nízkým · bodem přeměny v martensit, která je houževnatá a vysoce pevná.

Vynález se dále týká způsobu výroby . . této oceli.

Jsou známy oceli a slitiny železa, které jsou vyrobeny použitím většího množství hodnotných legovacích přísad a které mají současně vysokou · pevnost 1 houževnatost. Tyto oceli jsou však pro vysoké vlastní výrobní náklady, podmíněné také technickými důvody, použitelné jen pro zvláštní účely. Je pochopitelné, že úkolem mnoha vývojových prací bylo nalezení oceli nebo slitiny železa, která by měla vysokou pevnost a houževnatost, ale · která by byla vyrobitelná hospodárnějším postupem, s vynaložením menších výrobních nákladů, avšak dosud nebylo· dosaženo uspokojujících výsledků.

Například je známa vysoko legovaná ocel s velkou· pevností a houževnatostí, která obsahuje v hmotnostní koncentraci alespoň 0,03 % uhlíku, alespoň 0,10 % . křemíku, alespoň ·0,10 % · manganu, 0,010 % fosforu, 0,010 % síry, 11,5 až 13,5 % kobaltu, 3,00 až

4,50 % molybdenu, 17,0 · až 18,5 % niklu, 0,20 % hliníku, 1,50· až 2,00 · % titanu. (Ocel tohoto složení je označována v mezinárodním klíči k určování oceli materiálovým číslem 1.6356 a· nese .symbol X2 NiCoMoTi 18 12· 4). Dalším ·druhem takovéto oceli je ocel obsahující v hmotnostní koncentraci alespoň 0,03 % uhlíku, alespoň 0,10 % křemíku, alespoň 0,10 ·% manganu, 0,010 % fosforu, 0.,010 % síry, 7,00 až 8,50 % kobaltu, 4,60· až 5,20 ·% molybdenu, 17,0 až 19,0 procent niklu, 0,0.5 až 0,15 · % hliníku, 0,30 až 0,60 % titanu, 0^,400-3 % boru, 0,05 % vápníku a 0,02. ·% zirkonu. (Tato ocel je označována v mezinárodním klíči materiálovým číslem 1.6359 a nese symbol X 2 NiCoMo 18 8 5). Tyto · oceli jsou však obtížně tvářitelné, obtížně se obrábějí a vzhledem· k vysokým cenám· legovacích přísad jsou málo· ekonomické.

Úkolem vynálezu je proto vytvořit takovou ocel a výrobky z ní vyrobené, která by byla hospodárně vyrobitelná a která by měla nezávisle na přítomnosti značných podílů hodnotných legovacích přísad současně vysokou houževnatost a vysokou pevnost, popřípadě která by měla extrémně vysoké pevnostní hodnoty.

Dalším úkolem je vyřešit vhodný způsob výroby této· oceli, kterým by se tato· ocel s vysokou pevností a houževnatostí vyráběla, popřípadě kterým by bylo možno vyrábět předměty z této· oceli. Těmito· předměty jsou jednak výrobky· hromadné spotřeby, například svorníky, zarážecí svorníky a nastřelovací hřeby obvyklých tvarů pro přímé připevňování dílů, které je možno· zarazit i do prvků z vysokopevnostní stavební oceli.

Tento úkol je v podstatě vyřešen podle vynálezu, jehož předmětem je nelegovaná nebo nízkou legovaná bainiticky tvrditelná ocelová slitina s pomalou přeměnou a s nízkým bodem, přeměny v martensit, přičemž podstata vynálezu spočívá v tom, že ocelová slitina obsahuje v hmotnostní koncentraci 0,50 až · 1,00 · % · uhlíku, 0,10 až 1,50 % · křemíku, 0,25 až 1,50 % manganu, 0 až 0,045 % fosforu, 0 až 0,045 % · síry, 0,20 až 0,90· % molybdenu · a/nebo 0,20 až 2,00 ·% chrómu, přičemž · zbytek tvoří železo a obvyklé nečistoty, kterážto ocelová · slitina byla podrobena bainitickému vytvrzování v teplotním pásmu přeměny v martensit, a/nebo v teplotní oblasti · přímo· nad tímto pásmem a u níž bainitické vytvrzování dosáhlo· stupně přeměny nejvýše 85 %.

Přitom může například místo jednoho dílu molybdenu být použito jednoho· dílu chrómu. Všeobecně má přitom molybden přednost před chromém. Ve zvláštních případech může spodní hranice podílu manganitu činit 0,25 %.

Oceli podle vynálezu, které se vyrábějí způsobem podle vynálezu a mají uvedené složení, jsou ocelové materiály s dostatečně pomalou přeměnou, které mají předpoklady pro izot-hermní bainitickou přeměnu a které mají podle možností nízkou teplotu přeměny v martensit. V autokatalytické síti od Austina a Ricketta mají tyto· oceli obecně v jinak přímočaře probíhající kinetice přeměny zlom. Zde se vyskytuje vylučování, které zřetelně · ovlivňuje nepříznivě houževnatost oceli. Řešením · podle vynálezu se za současného získání oceli s velkou pevností a houževnatostí dosahuje průběh, ve kterém jsou odstraněny nepříznivé úseky, které nepříznivě ovlivňovaly houževnatost oceli. Kromě toho se dosáhne zvýšení rázové houževnatosti, zkrácení doby zahřívání potřebné k · přeměně a tím úspor energie.

Vynález je založen na poznatku, že oceli a jiné slitiny železa, jakož i předměty z nich vyrobené, které měly původně nepříznivé vlastnosti, získávají vyšší pevnost a větší houževnatost, jestliže se podrobí pouze nedokonalému bainitickému vytvrzování, to znamená tepelnému zpracování, trvajícímu až do přeměny, dosahující řádově 80 %, při Veplotach pohybujících se v oblasti teploty přeměny v· martensit nebo nad touto oblastí v rozsahu těsně nad bodem· přeměny v mairtensit.

Bod přeměny v martensit leží obvykle v oblasti od· 180 do· 280 °C, zejména v oblasti od 180 do 23O^! °C a především v oblasti od 185 do 210· °C. Pod pojmem teplota v oblasti přeměny v martensit se rozumějí ve smyslu vynálezu teploty v oblasti mezi 10 °C nad a 10 dc pod bodem, ve kterém se tvoří martensit. Tepelná oblast nad bodem přeměny v martensit, ve které se provádí nedokonalé bainitické vytvrzování, leží obecně v rozsahu· 0· až asi 100 °C, zejména do· 50 °C, například v rozsahu od 5 do 50 °C nad bodem tvorby martensitu. Zcela všeobecně se uka zuje, že · do rozsahu . vynálezu patřící teplotní oblast nad bodem· přeměny v martensit, ve které se může· uskutečňovat nedokonalé baň nitické vytvrzování oceli · podle vynálezu, je tím užší, čím je bod tvorby martesitu vyšší a naopak je tím širší, čím se bod přeměny v martensit nachází níže. S výhodou je teplota pro nedokonalé bainitické vytvrzování nižší než 270 až 280' °C, zejména nižší než 260· °C.

Zvláště příznivých výsledků se dosahuje při použití ocelí s bodem přeměny v martensit, nacházejícím se pod hodnotami, uvedenými v předchozí části. Nemají-li výchozí oceli vhodnou strukturu k provádění nedokonalého bainitického· vytvrzování, je třeba samozřejmě nejprve uskutečnit předběžné · zpracování, například tepelné, při kterém' se vytvoří austenitická struktura oceli. Případně v oceli přítomné nepatrné podíly legovacích prvků mohou být představovány například vanadem, wolframem, niobem, bórem apod., které se mohou vyskytovot v · hmotnostní koncentraci až 0,2 %. Tím se mohou některé vlastnosti oceli ovlivnit. Přítomnost nebo nepřítomnost těchto legovacích prvků však nemá ve větší míře vliv na řešení podle vynálezu.

Přeměna může probíhat až do dosažení oblasti nejvýše asi 85 %, vztaženo na maximální, to znamená vyčerpávající · přeměnu. Převážně se stupeň přeměny pohybuje mezi 55 až 85 %, přičemž přednost má rozsah mezi 75 a 85 % a zejména hranice 80· · %. Stupeň přeměny může být jednoduše měřičskými metodami zjištěn s dostatečnou přesností za využití okolností, · že bainitická přeměna je spojena s pozitivní změnou délky. Proto může být kinetika přeměny a tím současně stupeň přeměny při právě dosažené teplotě zjišťována jednoduchým způsobem dílatometrickým měřením na ocelovém vzorku. Pod pojmem osmdesátiprocentní stupeň přeměny se tedy rozumí, že se dosáhlo osmdesáti procent maximální délkové změny, která při stejné teplotě odpovídá plné bainitické přeměně.

Podle výhodného provedení vynálezu obsahuje ocelová slitina, mající poměrně vysokou pevnost a houževnatost, v hmotnostní koncentraci ·0,57 až 0,75 % uhlíku, 0,15 až 0,35 % křemíku, 0,70 až 0,85 % manganu, 0 až 0,035· % fosforu, 0 až 0,35 % síry, 0,20 až 0,50 % molybdenu a/nebo 0,20 až 1,00 % chrómu, přičemž zbytek tvoří železo, popřípadě nepatrné podíly legovacích prvků a obvyklé nečistoty.

Také pro tuto ocel platí skutečnosti, · které byly uvedeny v předchozí části v souvislosti s podmínkami a charakteristikou · přeměny. Tato ocel má také výhodné požadované vlastnosti, jestliže se provádí přeměna v teplotní oblasti tvorby martensltu nebo v oblasti, ležící od 0 až 50 °C nad bodem přeměny v martensit a jestliže přeměna dosa huje 75 až 85 % maximální hodnoty, měřeno podle dilatometricky určené kinetiky přeměny.

Ocel nebo železové slitiny podle vynálezu a tedy j předměty z této· oceli vyrobené mají houževnatost více než 70 J, předením až 85 J nebo dokonce 90 J, měřeno na kruhovém zkušebním vzorku bez vrubů, a tvrdost nejméně 57 HRC, zejména 58 HRC a vyšší, dosahující 60 a 61 HRC.

Vynálezem je také řešen způsob výroby této zlepšené oceli a předmětů z ní vyrobených, to znamená bainiticky tvrditelné oceli s pomalou přeměnou, která je nízko legovaná nebo nelegovaná a má nízkou teplotu přeměny v martensit, jehož -podstata spočívá v tom, že bainitické tvrzení se provádí při teplotě, ležící v oblasti bodu přeměny v martensit nebo v oblasti přímo na ni navazující směrem, nahoru, zejména v oblasti, která je o 0 až 100 °C, především až 50· °C, například 5 až 50 °C vyšší než bod přeměny v martensit, přičemž vytvrzování se přerušuje při dosažení 85% přetvoření, například 55 až 85%, především pak asi 75 až 80% přetvoření, vztaženo· na dilatometricky měřenou maximální přeměnu. S výhodou jsou k provádění tohoto· způsobu použity oceli a slitiny železa, které mají uvedené složení. Také zde · je nahodilá přítomnost nepatrných podílů legovacích prvků nerozhodná pro dosažení požadovaných výsledků a vlastností oceli.

Z ·oceli podle · vynálezu mohou být hotoveny předměty a výrobky s výhodnými vlastnostmi obvyklými výrobními postupy, zejména tvářením za studená. Stejně dobře však je možno vyrábět tyto · předměty z oceli ještě neupravené, avšak mající uvedené materiálové složení, · a potom teprve provádět zpracování podle vynálezu na hotových předmětech, u nichž se původní neupravená ocel přemění na vysokohodnotnou ocel s vysokou pevností a houževnatostí. V tomto případě je možno· spatřovat zvláštní přínos způsobu podle vynálezu v tom, že na rozdíl od výrobních podmínek pro vysoce legované oceli, které jsou dosti náročné, je možno provádět hromadnou výrobu velkých sérií předmětů běžné spotřeby hospodárnějším· výrobním postupem. K těmto předmětům hromadné spotřeby patří zejména připevňovací prostředky, jako jsou šrouby, hřeby, svorníky, zarážecí a nastřelovací hřeby pro přímé připevňování, nýty, hmoždinky, hmoždíky · a jejich díly, nástroje jako jsou vrtáky, dříky vrtáků, šroubováky, pily, razníky, průbojníky, trny, dále strojní součásti, jako· jsou pojistné kolíky, · pružiny, talířové pružiny, ventily, vedení ventilů, pístní kroužky, hřídele, osy, závlačky, spojky, podložky, lamely apod., součásti vojenské výzbroje a zbraní, pancéřové desky, kování stavební, lodní, nábytkové a pro sportovní vybavení, například řetězy, závěsné háky, · hrany lyží, součásti optických · a měřicích přístrojů, různé polotovary jako jsou ocelové pásky, dráty, plechy, tyče, trubky a podobné výrobky.

Zvláště vhodné jsou ve smyslu vynálezu oceli ze skupiny pružinových ocelí, obsahu jící například v hmotnostní koncentraci:

Označení oceli:	C %	Si %	Mn o/o	Cr %	V O/o
62 SiMnCr 4	0,62	1,0	1,0	0,6	—
58 CrV 4	0,58	0,3	1,0	1,1	0,1
50 CrV 4	0,50	0,3	1,0	1,1	0,1
62 SiCr 5	0,62/0,72	1,3	0,5	0,5	—
nebo oceli ze skupiny ocelí pro zpracovávání	za studená, například:
Označení	C %	Si %	Mn °/o	Cr %	V o/o
oceli:
100 Cr 6	1,0	0,3	0,3	1,5	—

popřípadě nelegované oceli ze skupiny nástrojových ocelí, popřípadě uhlíkem legované oceli, například:

Označení oceli:	C o/₀	Si %	M n o/o	P a S %
C/f,k,g,/60	0,57 až 0,65	0,25	0,25	vždy max 0,045
C/f,k,g,/67	0,67	0,25	0,70	vždy max 0,045
C/f,k,g,/7O	0,70	0,25	0,60	vždy max 0,045
C/f,k,g,/75	0,75	0,25 až 0,50	0,60 až 0,80	vždy max 0,045
C/f,k,g,/85	0,85	0,90	0,60 až 0,80	vždy max 0,045
C/f,k,g,/100	1,0	0,25	0,60 až 0,80	vždy max 0,045

Příklady ocelí podle vynálezu jsou objasněny v dalších příkladech.

Příklad 1

Výchozím materiálem je ocel obsahující v hmotnostní koncentraci 0,73 % C, 0,85 i% Mn, 0,20 % Si a 0,29 % Mo, tažená za studená do tvaru drátu, žíhaná na měkko, mírně dotahovaná, s pevností asi 800 MPa; tato ocel se po tepelném zpracování při 860 °C zpracovává po dobu dvaceti minut při teplotě 240 °C a po dobu 40 minut na vzduchu a potom se rozdělí na úseky o délce 1=50 milimetrů a průměru φ = 4,5 mm.

Teplota bodu přeměny v martensit činí 220 °C, měřeno vysocerychlostním dilatometrem a doby přeměny v minutách při teplotě přeměny 240 °C a stupních přeměny 85 !%, 95 %, 99 % a 100 °/o — vztaženo na dilatometricky měřené změny délky — činí:

%.....55 minut %i.....75 minut

%.....110 minut

100 %.....210 minut

Výrobky měli tvrdost 59 HRC a rázovou houževnatost:

při 100 % změny délky —

X — 51.5 J (n. ='20 zkoušek) při 86 % změny délky ='

X — 80 J (n ='20 zkoušek)

Z uvedených výsledků je zřejmé, že zvýšení rázové houževnatosti oproti hodnotám (Δ 1=¹100 %) dosažitelných při známém isotermickém bainitovém tvrzení není jedinou výhodou vynálezu, nýbrž že se dosáhne též značného zkrácení doby zahřívání potřebné к přeměně a tím úspor energie.

Příklad 2

Po podrobení hotového upevňovacího prvku, například hřebu nebo svorníku, stejnému tepelnému zpracování jako v předchozím příkladu má finální výrobek pevnost 58 HRC a přitom dobrou houževnatost, přičemž může být bez porušení ohnut až do úhlu 90 °.

Příklad 3

Při výrobě tahových pružin s vysokou pevností a houževnatostí se nejprve z výchozího materiálu, tvořeného drátem o průměru d i— = 4,5 mm, vytvoří šroubové pružiny s průměrem 80 mm, načež se takto vytvarované pružiny podrobí stejnému tepelnému zpracování jako v předchozích příkladech.

Claims

PŘEDMĚT VYNALEZU

1. Nelegovaná nebo nízko legovaná bainiticky tvrditelná ocelová sliti^na s pomalou přeměnou a nízkým bodem přeměny v martensit, vyznačená tím, že obsahuje v hmotnostní koncentraci 0,50 až 1,00 -% uhlíku, 0,10 až 1,50- % křemíku, 0,25 až 1,50 % manganu, 0 až 0,045 % fosforu, 0 až 0,045 Ψο síry, 0,20 -až 0,90 % molybdenu a/nebo 0,20 až 2,00 % chrómu, přičemž zbytek tvoří železo a obvyklé nečistoty, kterážto- ocelová slitina byla podrobena bainitickému vytvrzování v teplotním' pásmu -přeměny v martenslt, anebo- v teplotní oblasti přímo nad tímto· pásmem, a u níž bainitické vytvrzování dosáhlo stupně přeměny nejvýše 85 %.

2. Nelegovaná nebo nízko legovaná bainiticky tvrditelná ocelová -slitina podle- bodu 1, vyznačená tím, že její tepelné zpracování bylo- provedeno v teplotním pásmu- přeměny v martensit nebo v teplotním- pásmu od 0 až 100 °C, především 0 až 50 °C, zejména 5 až 50 °C nad bodem přeměny v martensit.

3. Nelegovaná nebo nízko legovaná bainiticky tvrditelná ocelová slitina podle bodů 1 a 2, vyznačená tím, že její- stupeň přeměny dosahuje 55 až 85 °/o, především 75 až 85 -%, zejména kolem. 80 %.

4. Způsob -výroby -ocelové- -slitiny podle bodů 1 až 3, vyznačující se- tím, že -ocelová slitina -se vystaví bainitickému tvrzení v teplotním pásmu přeměny v martensit nebo v oblasti --vyšší o -0 -až 100’ °C, především 0 až 50 °C, zejména 5 až 50- °C nad teplotou -bodu přeměny v martensit a· přeruší se nejpozději při 85%, především 55 až 85%, zejména 75 až 80% přeměně, vztaženo -na dilatometricky měřenou maximální přeměnu.