CS224602B2 - Method for producing stainless ferritic,semiferritic,austenitoferritic or austenitic steels with improved machineability - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu výroby nerezavějících feritických, semiferitických, austenitoferitických nebo austenitických ocelí se zlepšenou obrobitelností, kdy se protlačováním za tepla konsolidují odpadky ve tvaru třísek, hoblin, plechového odpadu nebo Šrotu při teplotě nižší než je teplota bodu tavení základního kovu nebo základní slitiny.

Vynález se zejména týká výroby ocelí, u kterých dispergovaná fáze dodává speciální vlastnosti uzpůsobující tyto ocele к obrábění úběrem. materiálu. Vynález se týká způsobu zhodnocení hutnických materiálů, které jsou v rozděleném stavu a jsou nejčastěji považovány za odpad, jako je plechový odpad, hobliny, třísky a kovový šrot, a to tím, že se tyto materiály zhutňují bez tavení na masivní kov za současného vpravení dispergované fáze.

V minulosti bylo učiněno mnoho šetření za účelem zlepšit chování a vhodnost ocelí pro obrábění úběrem třísek, jelikož náklady na obrábění mají značný vliv na výrobní cenu hotových výrobků. Toto platí zejména pro ocele určené pro výrobu mechanických dílců, u nichž je hmotnost kovu odstraněného obráběním v pqdobě třísek velmi značná, často dokonce větší, než je hmotnost hotového dílce.

V případě nerezavějících ocelí mají takové výzkumy zvláštní význam, jelikož přítomnost velkého množství chrómu a niklu těchto ocelí velmi snižuje schopnost obrábění; třísky mají sklon se nalepovat na řezný nástroj, jakýmsi způsobem se navařovat na jeho ostří, což vy- . volává rychlé zničení nebo alespoň znehodnocení tohoto řezného nástroje, když rychlost opracování překročí určitou mez; tato mez je daleko nižší než jsou rychlosti běžně užívané při obrábění obyčejných ocelí.

Uvedené výzkumy vedly k vytvoření druhů ocelí, u kterých schopnost opracování je zvětšena v důsledku zavedení určitých prvků, které jsou vybrány zvláštním způsobem a jejichž speeCfická . úloha je nyní známa. Mezi těmito prvky lze uvést meealoidy, například síru, selen a telur, jakož i kovy například olovo, cín a-vizmut. Dnes je celá řada normalizovaných typů ocdí v různých průmyslových zemích, přičemž tyto ocele obsahují přísady síry, selenu nebo olova. Nássoduuící tabulka I Udává někooik příkladů vybraných mezi automatovými konstrukčními - ocelemi a mezi automatovými nerezavějícími ocelemi.

Tabulka I

Příklady běžně užívaných ocelí se zlepšenou óbirbiíelnossí.

Norma	C	Mn	№mbmobtAÍ koncentrace v % '
P 8	51	Cr	Ni	Se	Pb
automatové	0,07	0,60		0,09	0,10
podi	a	* a	< 0,04	a	a	-	-	-	-
	0,13	0,90		0,13	0,40
automatové	0,08	0,30		0,08
ocdi	% a	a	< 0,04	a		-	-	-	-
	0,13	0,60		0,13
automatové	0,30	0,60			0,10	0,85			0,15
oceU	a	a	< 0,035	< 0,035	a	a	-	-	a
	0,35	0,90			0,40	1'5			0,25
automatové	0,08	0,60							0,15
ocdi	a	a	<0,04	< 0,05	-	-	-	-	a
	0,13	0,90							0,35
nerezavá^c!						17,0	8,0
automatové	< 0,12	< 2,0	< 0,06	<0,15	< 1,0	a	a	-	-
oceli						19,0	10,0
nerezavětíeí						17,0	8,0
automatové	<0,15	<2,0	<0,2	< 0,15	< 1,0	a	a	-	-
ocdi						19,0	10,0
neresaaětící						17,0	8,0
automatová	<0,15	< 2,0	< 0,2	< 0,06	<1,0	a	a	-	- _
ocdi						19,0	10,0
V případě síry a	selenu se	vpravování	těchto prvků provádí	do kapalné	ocele	před odlé-

váním. V průběhu tuhauuí se v jednotlivých případech pozoonuje odlučování více nebo méně komppewiích sirníků nebo selenidů. Zavedená mxoožtví jsou, jak ukazuje tabulka 1, řádově 0,10 % pro koutrukční automatové ocele a jsou větší než 0,15 % pro neгlzavёjíeí automatové ocele. V případě olova se jako přidávání rovněž do tekuté ocdi, a to v obsahu stejného velikostního řádu; olovo se sráží na hranicích zrn v průběhu tuhnuu!.

Olověné ocele, popřípadě ' ocele s obsahem olova mají, velmi značnou důležitost, avšak je nesmírně nesnadná je transformovat za tepla. Při teplotách tepelného zpracování ocele jsou částice olova totiž v tekutém stavu a 'vyvolávaj velmi snadno praskliny v důsledku ztráty soudržnou za tepla, dokonce i v případech, kde je deformace omezena na nejmenší mru. To - vysvétluje větší cenu těchto ocdí, což vede k jejich omezenému pouužvání.

Pokud jde o schopnost opracování bylo ukázáno, Že přísady síry nebo selenu nebo i olova umožňuje velmi značné zvýšit výkony řezných nástrojů. Toto zvýšení se projevuje bud tím, že nástroje lze užívat deléí dobu při stejné rychlosti a hloubce řezu nebo že lze jej užívat stejnou dobu při velmi značném zvýšení rychlosti nebo hloubky řezu; uvedené přísady činí kromé toho třísky křehčími, což usnadňuje jejich oddělování a zabraňuje nebo snižuje jev jejich hromadění na nástrojích. Tato poslední vlastnost je zvlášt důležitá při vrtacích pracích.

Až dosud, jak bylo uvedeno, užívala průmyslová výroba těchto výrobků běžných postupů klasické metalurgie i s omezeními, která z nich vyplývají, zejména v ohledu tavení a transformace za tepla.

Bylo již navrženo, aby se jako výchozí suroviny užilo kovových odpadků rozdělených poměrně hrubým způsobem, jako je plechový odpad, hobliny, kovový šrot, atd. Možnost konsolidace takových odpadků zhutněním a protlačováním, je již známa. Lze například poukázat na britský pat. spis č. 1 220 845, který navrhuje vyrábět ocelové výrobky tím, že se odpadky téže oceli, předběžně slisované, protlačují * lisem při teplotě nižší než je bod jejíhó tavení. USA pat· spis č. 3 626 578 udává podmínky potřebné к tomu, aby se stejným postupem obdržely bezvadné hutnické výrobky, buň z ocele nebo z jiného kovu náležejícího ke skupině, která obsahuje prvky: titan, zirkon, molybden, niob, tantal nebo wolfram.

Francouzský pat. spis č. 2 012 565 rovněž popisuje způsob výroby kompaktních útvarů, protlačovaných na lisu, z třísek. V témže pat. spise je popsána možnost pozměňovat vlastnosti hotových výrobků tím, že se třísky, předběžně slisované až na 60 až 80 % teoretické husto ty, podrobí odkysličování, кarburáci nebo nitridaci; je zde též uvažována možnost přimísit к základním kovovým třískám kovové prášky, jejichž velikost zrna je menší než 2 mm, a to za účelem pozměnit složení slitiny· Příklady však ukazují, že takové směsi vedou ke slitinám s heterogenní strukturou, jelikož při provádění konsolidace v pevném skupenství nemůže nastat do hmoty difuse přidávaných prvků. Účel použití těchto struktur je nejasný.

Vynález vychází z úlohy odstranit uvedené omezení tím, že navrhuje způsob současně hospodárnější a pružnější. Je zajímavé, že je možno vyrábět přímo trubky, dráty, desky, kruhové tyče a různé profily se zlepšenou obrobitelností tím, že se přidají prvky nebo «sloučeniny vybrané v co nejširším rozmezí a schopné dodat uvedeným polotovarům v ohledu obrobitelností takové vlastnosti, které se hodí pro jejich použití.

Na rozdíl od dosud získaných nepříznivých výsledků konstatovali totiž vynálezci, že mimo očekávání je možné smíšením rozděleného kovu nebo slitiny s jednou nebo několika vhodně zvolenými přísadami, za kterýmžto smísením následuje konsolidace za tepla, dosáhnout dostatečné disperse dispergované fáze, aby se dosáhlo žádaného účinku se zřetelem na schopnost opracování.

Vynález je založen právě na myšlence využít nehomogennosti výrobků získaných shora uvedenými postupy za dosažení neočekávané výhody v případě výroby nerezavějících ocelí se zlepšenou obrobitelností. Tato výhoda je zvlášl jedinečná v případě výroby nerezavějících ocelí s obsahem olova, jejichž výroba tavením je zvlášl nesnadná.

Způsob podle vynálezu záleží v tom, že za účelem dosažení uvnitř kovu rovnoměrné disperse jedné nebo několika fází zlepšujících chování se při obrábění к odpadu přimísí v podobě prvku nebo sloučeniny alespoň jeden ze skupiny sedmi prvků, obsahující síru, cín, olovo, antimon, vizmut, selen a telur.

Podle výhodného provedení vynálezu se přísada nebo přísady se základním kovem nebo slitinou smísí v podobě pevných částic.

Podle dalšího provedení vynálezu se přísada nebo přísady v kapalném stavu promísí ales^pň s částí základního kovu nebo základní slitiny, jež zůstává v podstatě v pevném stavu.

Účelně je celkové možetví zavedených přísad obsaženo v rozmezí mezi 0,1 hmot. % a 5 hmot. ' %.

Příklady v přihlášce uvedené'ukazují, že takové ocele mají zcela výjimečné vlattooati.

Najříklzd v případě ocelí, obsazujících olovo, vede poojžtí směsi olověných zrn a nerezavějící ocele ve tvaru hrubě rozděen^(^m k ído^os! dosažení takového rozložení olova v oceli v hotovém výrobku, jaké ji zvláěl příznivé pro obroOitlloo8t. Naopak však výroba nerezavvěících ocelí s obsahem olova tavením vidi k velmi značným obtížím na úrovni transformace . a také k daleko méně příznvvámu rozložení olova.

Výhody v ohledu obrobitilnosti tohoto hrubého rozložení sl projeví jí také při užití nekovových přísad, například síry. Dosavadní předuveřejnění nedával odborníku žádný návod, jak vyrofabt oβrlzaaějíeí oceli β obsahem síry.

Způsob podíl vynálezu umooňuji uhocdюOit odpad z nerezaj^^cí oceli daleko výho<^^1 než pouhým opětným roztavením nebo jednoduchým slisováním biz zavedení speciálních přísad.

Níže bude udáno někooik příkladů pro vysvětlení podmínek realizaci vynálezu.

Příklad!

Plechový odpad z OlrlZaαVtíeí oceli s obsahem 17 % chrómu, v podobě kousků o dálce několika centimetrů a o tloušíci přibližně 0,5 mm byl smíchán v rotační míchačce s množstvím práškové síry, odpoovdajícím 0,5 hmoo. % hmoOnobti směěi. Bylo odebráno 9 kg směěi, ktirá byla zhutnována za studená uvintř válcového ' pláště o tloušíci 1 mm a o vnějěím průměru 97 mm zhotoveného z oceli téhož typu, uzavřeného na dolním konci a umístěného do vnitřku maZrici svislého Ивщ o výkonu 58,84 Ν.!0θ. Zhutrání bylo ^ovcácno za pomooi ^pístu^- o prám^ ru 95 mm až do dosažení sypné hustoty rovné 84 % teoretické hustoty. Výěka naplnění třísek uvnitř pláště byla pak 180 mm. Takto vyplněný pLáSU byl potom z maarici- vyjmnt, přeříznut v úrovni horní plochy stlačených třísek a bylo navařeno víko z zu8ten0tlckV oceli pro neprodyšné uzavření celku. .

Vzniklý špaaí^k byl pak zahřát v ^pe<^di na teplot ¹ 25⁰ . °C pak přenesen do rádoby o průměru 100 mm ^otlačovac^o - lisu o výkonu 78,5 ^10^ načež tyl potažen vrstvou slcleráného prachu, ktirá má sloum jako mmaivo. Za těchto okolnoosí byla protlačováním ob (držena válcová tyč o průměru 10 mm a o délce 14 mm. Analýzy ukázaly homogeimí rozložení' síry si středním obsahem 0,5 hmoo. %, což odpovídá zavedenému množstv. Hustota tyči byla rovna teoretické hodnotě. Melalurgické zkoušky ukázaly, ži získaná ocel ji bezvadná. Síra příbomrá v podobí inkluzí airníků byla pravidelně rozdělena, přičemž však přednostní orientaci částici byla ve smyslu protlačování. Obráběcí pokusy ukázaly, ži bbrobitilObat takto získaných tyčí ze stejného typu ' oceli s.obsahem síry, obdržených obvyklými - postupy.

Příklad 2

Za stejných podmínek jako v příkladu 1 byly třísky, získané obráběním U8tetnitiekV oceli, smíseny s ' olověným práškem o velikosti zrn středního průměru 500 mikromelrů, což odpovídá 0,5 hrneno. % hmootn)osi s^ěěs. Bylo odebíráno 9 kg směn, ktirá - byla zhutněna za studená za донШ! lisu o výkonu 5^8,84 N.1^ v plášti z zustennticrá ocele ^ijráho t^ypu z za stejných podmínek jako v příklzdu 1. Huutota dosáhla 81 % teoretické hustoty při výšce naplnění přibližně 180 mm. - Plááíl . byl pak uzavřen stalým způsobem jako v příkladu 1, takto obdržený špaZík byl předehřát v pici nz 1 300 °C z pzk zavidin do nádoby o průměru 100 mm v lisu o výkonu ^{- 78,}45 N. ^^ ^kdyŽ tyl ^id^m povlerán vrstvou ^leněrábo pr^k^ z pak tyl protlzčin do válcové tyče o průměru 10 mm.

Měření hustoty ukázala, ži hustota ji rovna teoretické hodnotě. Analýzy ш^пПу že olovo bylo pravidelně v tyči rozděleno se středním obsahem 0,5 hmot. %. Metalurgické zkoušky ukázaly pravidelné rozdělení olověných částic, které však měly přednostní orientaci ve smyslu protlačován. Rozměry částic byly řádově 100 mikrometrů délky a 10 mikrometrů šířky. Obráběcí pokusy ukázalLy, že obrobitelnost těchto ocelí byla zcela srovnatelná s obrobitelností tyčí ze stejného typu olověné ocdi, získané obvyklými postupy. Je třeba poznamenat, že obгobitllnost olověných oceH je za stejných podmínek daleko vyšší než obbobbtelnost oceH na bázi síry.

Na přiožeeném výkresu jsou zaznamenány křivky, které v N (newtonech) udávají změnu osové síly průniku (naneseno'na poiřadnéci) ve funkci otáčivé rychlosti v otáčkách za minutu (naneseno v úsečce) při vrtacím pokusu s vrtákem o průměru 6 mm pro čtyři feritické nerezbyvjící ocele s obsahem 17 % ohromu.

Křivka j -odpovídá oceH s obsahem 17 % chrómu, vyrobené tavením a zpracované kladckým způsobem. Tři další křivky -odppvvdají ocelím získiným stlačováním a protlačováním jediné partie základního kovu, totiž eerezzιvajjií ocel s 17 í chrómu, v rozděleném stavu v podobě plechového odpadu, jak to bylo- popsáno v příkladu 1. V případu křivky 2 . nebyla k základnému kovu, přidána žádná přísada. V případě křivky J byj.o s plechovým obsahem smícháno množtví práškové síry o^j^poví^ajjczí 0,25 % hmoVnevti směěi; konečně v případě křivky £ byl s ocelovým odpadem smíchán ocelový prášek, jehož množní odj^c^i^vída^lo 0,50 % síry.

Přezkoumání těchto křivek ukazuje velkou převahu ocdi s obsahem síry nebo s obsahem olova, přičemž ocele s obsahem olova jsou zdaleka nejlepší.

Kromě toho bylo konstantováno, že olověné ocele podle vynálezu jeví znamentou odolnost vůči korozi, kterážto odolnost je daleko větší než u ^^zbyvěících occIí se ' sírou.

Tato odolnost vůči korozi byla vyhodnocena z polarizačních křivek získaných v prostředí ďaojevrmá^ání tyseli^ sírové (H^gSO ₄ 2Ю při teplotě 23 °C. Užitým kritereem je paaivačró proud; čím je tento proud vyšší, tím je horší odolnost vůči korozi. Takto byly srovnány čtyři elrezavajíií austenitické ocele opatřené značkami _5 - až -Θ. Ocel značky 2 byla automatová ocel vyrobená tavením a zpracovaná klascďým způsobem. Tři . ostatní ocele byly získány stlačením a protlačováním jediné série základní elrezavajíií - - ocele v rozděleném stavu v podobě třísek, a to způsobem analogickým, jak bylo popsáno v příkladu 2.

V případě oceH o značce 6, nebyla k tříkkám ' základního kovu přidána žádná přísada. V případě ocdi o značce _7 byl s třsskaml smísen sirný prach v Μ^β^ί odpooadaaíiím 0,3 % hmotícosí směss. Konečně v případě oceH o značce 8 bylo k tokáta přidáno . olovo v množsví odpovídajícím - 0,5 hmoostnoi směss.

Výkledky získané po zpracování jsou sestaveny v tabulce II

T a b u 1 k a II

značka ocele	pasivační proud v A/cm^
5	1
6	1
7	15
8	1

Je patrno, že odolnost prot.i korozi u olověné oceH podle vynálezu je naprosto srovnatelná s odo ono o s i ocdi získané klasickými postupy bez přísady. Napro!,! tomu sírová od má značně nižší odolnost - vůči korcoZ.

Právě uvedená příklady představují zvláštní aplikace způsobu podle vynálezu, avšak dosšh tohoto spůsobu je daleko obecnější. Především lze síru, selen nebo telur nahradit metaloidními prvky, o nich* je již známo, že umožňují dosáhnout zlepšených výsledků. Rovněž lse užít fosforu· Stejně tak není olovo jediným kovem, kterého je možno použít pro zvýšení obrobitelností· Jednou z příčin volby olova byla totiž jeho nerozpustnost oceli v pevném skupenství, když se užívá běžných hutnických postupů.

Od okamžiku, kdy se zhutnění vsázky provádí v pevném skupenství, jsou doby předehřívání omezeny obecně na takové hodnoty, že dokonce i kovy rozpustné v oceli v pevném skupenství, jako hliník, měd nebo nikl, nemají čaa úplně difundovat a mohou být zachovány v podobě částic pravidelně rozdělených v základní hmotě. Proto je nožné nahradit olovo velmi Četnými kovy, jako cínen, arsenem, antimonem, vizmutem, hliníkem, mědí, niklem, nebo kobaltem. Lze také provádět přidávání smíšených přísad tvořených několika kovy nebo metaloidy. Stejně tak lze užít jako přísad sloučenin, jako sirníků, selenidů a dokonce určitých intermetalických sloučenin.

Jednou ze základních předností způsobu podle vynálezu je použití poměrně nízkých transformačních teplot, daleko nižších než je bod tavení ocelí, takže je možné dispergovat do struktury prvky nebo sloučeniny, které by ztratily svou individualitu, kdyby bylo třeba vsázku roztavit.

Jak je patrno z příkladů, je způsob podle vynálezu použitelný pro nerezavějící oceli nejrůznějších typů. Hodí se rovněž pro ocele nelegované nebo nízkolegované. Způsob podle vynálezu lze rovněž použít pro ocele odolné proti tečení, pro žáruvzdorné ocele a superslitiny. Způsobu podle vynálezu lze také použít v případě žáruvzdorných kovů nebo slitin, jako titanu, zirkonu, niobu, tantalu a molybdenu, jejichž obrobitelnost je zvlášl malá. Volba jedné nebo několika přísad, které mají být zavedeny do základní hmoty, bude zřejmě záviset na podmínkách, za kterých má být výrobku použito.

U postupu podle vynálezu je také možné nastavit jemnost a rozdělení disperse v základní hmotě tím, že se využije velikosti částic základního kovu nebo slitiny, jakož i povahy, jemnosti jedné nebo několika přísad, které dávají vznik dispergované fázi. Aby se usnadnilo promíaení mezi kovem nebo slitinou v rozděleném stavu a mezi jednou nebo několika přísadami, lze užít těkavých látek, které mají vazební vlastnosti, jako například určité oleje. Tyto vazební látky budou obvykle odstraněny zahříváním na teplotu řádově 100 až 200 °C, případně pod sníženým tlakem nebo pod vakuem, před zhutněním nebo dokonce po zhutnění, avšak každopádně před zatavením pláště.

Je také možné dispergovat jednu nebo několik přísad do základního kovu nebo slitiny tím, že se pevné částice základního kovu nebo slitiny smočí těmito přísadami v kapalném stavu· Tohoto poatupu lze užít pokaždé, když bod tavení jedné nebo několika přísad je nižší než bod tavení základního kovu nebo slitiny. Například lze snadno použít tohoto postupu, když základní kov je tvořen odpadky nerezavějící oceli, aniž přísada sestává z kovu nebo slitiny s nízkým bodem tavení, jako je olovo, cín, vizmut, antimon, selen a telur. Množství přísady, které může být tímto postupem zavedeno, závisí na povaze povrchu základního kovu nebo alitiny a na teplotě lázně· Odpadky nerezavějící oceli mohou být na krátký čaa zavedeny do kapalné lázně obaahující přísadu nebo přísady, pak mohou být vytaženy a ochlazeny. Případný přebytek kapaliny může být odstraněn například odstředěním.

Aby se omezilo množství přísady nebo přísad, je možné zavést do kapalné fáze pouze část z celkového množství těchto třísek, která se pak promísí s ostatními třískami. Je také možné nastříkat kapalné přísady na povrch základního kovu nebo slitiny v rozděleném stavu. Takto je snadněji možné řídit množství, které má být zavedeno. Tohoto postupu lze také užít pro přísady, které nesestávají z kovů, za podmínky, že jejich bod tání je dostatečně nízký· To je například případ síry.

Kromě toho může také míra redukce v průběhu zhutňování za tepla hrát rozhodující roli· Toto hutňování bude nejčastěji prováděno protlačováním na lisu, avšak může být také provedeno jinými způsoby, například válcováním za tepla. Prakticky bude pokaždé výhodnější provádět první zhutnění za studená nebo i za tepla. V případě, že vsázka obsahuje zvlášť reaktivní kovy, bude vhodné provádět první zhutňování a potom těsné uzavření pod řízenou nebo neutrální atmosférou, nebo ještě lépe pod vakuem.

Claims (4)

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

1. Způsob výroby nerezavějících feritických, semiferitických, austenitoferitických nebo austenických ocelí se zlepšenou obrobitelností, kdy se protlačováním za tepla konsolidují odpadky ve tvaru třísek, hoblin, plechového odpadu nebo šrotu při teplotě nižší než je teplota tavení základního kovu nebo základní slitiny, vyznačující se tím, že za účelem dosažení uvnitř kovu rovnoměrné disperse jedné nebo několika fází zlepšujících chování při obrábění ее к odpadu přimísí v podobě prvku nebo sloučeniny alespoň jeden ze skupiny sedmi prvků, obsahujících síru, cín, olovo, antimon, vizmut, selen a telur.

2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že přísada nebo přísady se se základním kovem nebo slitinou smísí v podobě pevných částic.

3. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že přísada nebo přísady se v kapalném stavu promísí alespoň s částí základního kovu nebo základní slitiny, jež zůstává v podstatě v pevném stavu.

4- Způsob podle bodu 1 až 3, vyznačující se tím, že celkové množství zavedených přísad je obsaženo v rozmezí mezi 0,1 % hmot, a 5 % hmot.