CS258222B1

CS258222B1 - Low alloy powdered steel and production method

Info

Publication number: CS258222B1
Application number: CS864525A
Authority: CS
Inventors: Mikulas Dzupina
Original assignee: Mikulas Dzupina
Priority date: 1986-06-19
Filing date: 1986-06-19
Publication date: 1988-07-15
Also published as: CS452586A1

Abstract

Prášková nízkolegovaná ocel, určená přednostně na výrobu súčiastok plnej hustoty postupmi práškovéj metalurgie, podrobených prevážne dynamickému námáhaniu, ktorej podstata spočívá v tom, že obsahuje 0,2 až 1 % C a 0,3 až 2 % Mn a jeden prvok zo skupiny pozostávajúcej z 0,2 až 1 % Si, 0,3 až 1 % Ni, 0,2 až 0,5 % Mo, 0,3 až 1,5 % Cu a 0,1 až 0,3 % P a kombináciu dvoch alebo viacerých z uvedených prvkov. Táto ocel sa vyrobí,tak, že k železnému prášku sa pridajú legúry v práskovej formě a zmiešajú sa s prídávkom mazadla. Z práškovej zmesi sa vylisujú výlisky, ktoré sa potom spekajú a tvárnia za tepla na plnú hustotu. Telesá plnej hustoty v závislosti od koncentrácie uhlíka sa s výhodou chemicko-tepelne spracujú alebo zušlachfujú.Powder low-alloy steel, intended primarily for the production of full-density parts by powder metallurgy processes, subjected to predominantly dynamic stress, the essence of which is that it contains 0.2 to 1% C and 0.3 to 2% Mn and one element from the group consisting of 0.2 to 1% Si, 0.3 to 1% Ni, 0.2 to 0.5% Mo, 0.3 up to 1.5% Cu and 0.1 to 0.3% P and a combination of two or more of the listed elements. This steel is produced by adding alloys in powder form to the iron powder and mixing it with the addition of a lubricant. Presses are pressed from the powder mixture, which are then sintered and shaped under heat to full density. Bodies of full density, depending on the carbon concentration, are preferably chemically-thermally processed or liquefied.

Description

Vynález sa týká práškovej nízkolegovanej konštrukčnéj ocele, ktorá sa s výhodou použije na výrobu súčiastok postupmi práškovej metalurgie, prevážne kováním a pretláčaním.The invention relates to low-alloy structural steel powder, which is preferably used for the production of components by powder metallurgy processes, mainly forging and extrusion.

Strojové súčiastky, namáhané v prevádzke dynamicky, u ktorých sa preto požadujú predovšetkým vysoké húževnatostné vlastnosti materiálu, často v spojení tvrdosťou na zvýšenie odolnosti napr. voči opotrebeniu a vzniku únavových porúoh, postupmi práškovej metalurgie sa vyrábajú přednostně z úplné předlegovaných práškov rozstrekovaných vodou. Na uvedené účely prevážne sa používá prášok základného chemického zloženia Fe - 2 4 Ni - 0,5 4 Mo a v značné menšom rozsahu prášky modifikovaného chemického zloženia, ako napr. Fe - 0,4 4 Mn - 0,3 % Ni - 0,3 % Mo - 0,3 4 Cr.Machine parts subjected to dynamic stress in operation, for which, in particular, high toughness properties of the material are required, often combined with hardness to increase the resistance of e.g. against wear and fatigue failure, powder metallurgy processes are preferably produced from fully pre-alloyed water-sprayed powders. For this purpose, a powder of the basic chemical composition Fe - 2 4 Ni - 0,5 4 Mo is used predominantly and powders of modified chemical composition, such as e.g. Fe - 0.4 4 Mn - 0.3% Ni - 0.3% Mo - 0.3 4 Cr.

Základnými ledujúcimi prvkami ale zostávajú nikel a molybdén, pretože ich oxidy sú lahko redukovatelné v redukčných atmosférách bežnej prevádzkovej Čistoty napriek tomu, že sú to drahé a deficitné prvky. Hlavným nedostatkom uvedených ocelových práškov je malá variabilnosť chemického uloženia a problémy s legováním z hladiska vlastností efektivnějšími prvkami ako sú Mn, Cr a Si. Je to spósobené tým, že takéto prášky sa vyrábajú rozstrekovaním. Na dosiahnutie požadovanéj tvrdosti, súčiastky z týchto práškov možno v závislosti od koncentrácíe uhlíka chemicko-tepelne spracovať alebo tepelne zúšlachťovať.However, nickel and molybdenum remain the basic freezing elements, since their oxides are readily reducible in reducing atmospheres of normal operating purity, although they are expensive and deficient elements. The main drawbacks of these steel powders are the low variability of chemical deposition and alloying problems due to more efficient elements such as Mn, Cr and Si. This is because such powders are produced by spraying. To achieve the desired hardness, the components of these powders can be chemically thermally treated or heat-treated depending on the carbon concentration.

Tak možno u súčiastok plnej hustoty dosiahnuť tvrdosť i do 65 HRC. Súčiastky lisované z práškov legovaných prevážne niklom a molybdénom sa spekajú pri teplotách 1 100 až 1 120 °C v atmosférách rosného bodu obvykle do -25 °C. Na dosiahnutie plnej hustoty takéto súčiastky sa kujú pri obvyklých teplotách, alebo mĎžu sa za tepla pretláčať. Nedostatkom výroby práškov rozstrekovaním vodou je, že v případe legovania prvkami, ako sú Mn, Cr a Si, nie je možné dosiahnuť požadovaný nízký obsah kyslíka, pretože sú to prvky vysokej afinity ku kyslíku a ich oxidy, ktoré zvnikajú pri rozstrekovaní kovověj taveniny, sú ťažko redukovatelné, a to len pri vysokých teplotách, kde sa prášok speká. To sa prejavuje už aj na prášku uvedeného modifikovaného chemického zloženia s vyšším obsahom kyslíka v porovnaní s práškom bez prídavkov Mn a Cr.Thus, hardness of up to 65 HRC can be achieved with full density components. The components molded from powders alloyed predominantly with nickel and molybdenum are sintered at temperatures of 1 100 to 1 120 ° C in dew point atmospheres usually up to -25 ° C. To achieve full density, such components are forged at normal temperatures or may be hot extruded. The drawback of water spraying powders is that, in the case of alloying with elements such as Mn, Cr and Si, the desired low oxygen content cannot be achieved because they are high oxygen affinity elements and their oxides that are formed when spraying the metal melt are difficult to reduce, and only at high temperatures where the powder is sintered. This is already reflected in the powder of said modified chemical composition with higher oxygen content compared to the powder without the additions of Mn and Cr.

Calšou nevýhodou rozstrekovaných predlegovaných práškov je, že sú tvrdšie a preto horšie lisovatelné, čo má za následok i vyššie opotrebenie lisovacích nástrojov. Nevýhodou rozstrekovaných práškov tiež je, že z výrobných dóvodov možno z jedného druhu prášku vyrobiť najmenšie množstvo asi 5 t, čo je závislé od velkosti taviacej pece.A calmer disadvantage of the sprayed pre-alloyed powders is that they are harder and therefore worse compressible, resulting in higher wear of the molding tools. A disadvantage of the sprayed powders is also that, for production reasons, a minimum amount of about 5 t can be produced from one kind of powder, which is dependent on the size of the melting furnace.

Uvedené nedostatky sú odstránené podlá vynálezu, ktorého podstata spočívá v tom, že prášková nízkolegovaná ocel, určená přednostně na výrobu súčiastok plnej hustoty postupmi práškovej metalurgie, podrobených v prevádzke prevážne dynamickému namáhaniu, obsahuje hmotnostně 0,2 až 1,0 4 C a 0,3 až 2,04Mna jeden prvok vybratý zo skupiny prvkov, pozostávajúcej z 0,2 až 1,0 4 Si; 0,3 až 1,0 4 Ni; 0,2 až 0,5 4 Mo; 0,3 až 1,5 4 Cu a 0,1 až 0,3 4 P. a kombináciu dvoch alebo viacerých z uvedených prvkov. Zvyšok v uvedenej práškovej oceli do 100 4 tvoria nevyhnutné znečisteniny a železo. Uvedená prášková nízkolegovaná ocel sa vyrobí tak, že k železnému prášku sa pridajú uvedené legúry v práškovej formě.The above drawbacks are eliminated according to the invention in that the powdered low-alloy steel, preferably intended for the production of full density components by powder metallurgy processes, subjected in the process to a predominantly dynamic stress, comprises 0.2 to 1.0 4 C and 0 wt. 3 to 2.04M per element selected from the group of elements consisting of 0.2 to 1.0 4 Si; 0.3 to 1.0 4 Ni; 0.2 to 0.5 4 Mo; 0.3 to 1.5 4 Cu and 0.1 to 0.3 4 P. and a combination of two or more of said elements. The remainder in said powder steel up to 100 4 consists of the necessary contaminants and iron. Said low-alloy steel powder is produced by adding said alloys in powder form to the iron powder.

Potom sa tieto komponenty s prídavkom mazadla zmiešajú a z takto vzniklej práškovej zmesi sa vylisujú v uzavretom nástroji za studená výlisky hustoty 5,5 až 7,3 g.cm , ktoré sa potom spekajú v ochrannej atmosféře pri teplotách 1 100 až 1 350 °C počas 120 až 5 minút, nato sa vyspekané telesá tvária za tepla na plnú hustotu s výhodou kováním a pretláčaním. Telesá plnej hustoty v závislosti od koncentrácie uhlíka sa s výhodou chemicko-tepelne spraoujú alebo tepelne zušlachťujú.Thereafter, the components are mixed with the lubricant addition and the resulting powder mixture is pressed in a sealed tool in cold molds having a density of 5.5-7.3 g.cm, which are then sintered in a protective atmosphere at temperatures of 1,100 to 1,350 ° C for 120 to 5 minutes, after which the sintered bodies are thermoformed to full density, preferably by forging and extrusion. The full density bodies, depending on the carbon concentration, are preferably chemically thermally sprayed or heat treated.

Výhodou práškovej ocele podlá vynálezu je, že umožňuje pohotové i nižšie legovanie drahými legúrami, ako sú nikel, molybdén a med, ale umožňuje aj legovanie prvkami vysokej afinity ku kyslíku v uvedených koncetracích, ako sú mangán, chróm a křemík osobitne, alebo v spojení s prvkami z predchádzajúcej skupiny, ktoré sú lacnejšie a přitom spósobujú vyššie spevnenie.The advantage of the steel powder according to the invention is that it allows quick and low alloying with expensive alloys such as nickel, molybdenum and honey, but also allows alloying with high oxygen affinity elements in said concentrations such as manganese, chromium and silicon separately or in conjunction with elements from the previous group, which are cheaper and yet cause higher reinforcement.

258221258221

Sú možné různé kombinácie legujúcich prvkov v rámci uvedenej skupiny. Ďalšou výhodou tejto ocele je, že možno z nej připravit podlá potřeby i menšie množstvá osobitného zloženia. Uvedeným spůsobom připravená ocel má vyššiu lisovatelnost, pre přítomnost mSkkého železného prášku v zmesi. Túto ocel, i v případe legovania prvkami, ako sú Mn, Cr a Si, možno úspěšně spékať v atmosférách prevádzkovej čistoty napriek tomu, že z termodynamického hladiska by bola potřebná na ich spekanie atmosféra rosného bodu aspoň -40 °C.Various combinations of alloying elements within the group are possible. A further advantage of this steel is that even smaller amounts of special composition can be prepared as needed. The steel prepared in this way has a higher compressibility because of the presence of a soft iron powder in the mixture. This steel, even in the case of alloying with elements such as Mn, Cr and Si, can be successfully sintered in operational purity atmospheres, although at least -40 ° C dew point atmosphere would be required for sintering from a thermodynamic point of view.

Je to spůsobené tým, že mangán přidaný k železnému prášku, a to ako elementárny prvok, alebo feromangán, alebo ako iná predzliatina obsahujúca mangán, počas spekania sublimuje. Vznikajúoe páry mangánu vytvárajú potom vlastnú ochranu oproti oxidácii legujúcich prvkov v materiálovom systéme reakciou s kyslíkom z ochrannéj atmosféry. Potřebná homogenita štruktúry týchto ocelí sa dosiahne spekanim pri uvedených vyšších teplotách. Následné telesá plnej hustoty sa s výhodou chemicko-tepelne spracujú alebo zušlachťujú. Tým sa dosiahnu v konečnom stave požadované húževnatostné vlastnosti a tvrdost. Táto cocel je v práškovej formě v konečnom důsledku aj laonejšia.This is because the manganese added to the iron powder, either as an elemental element or ferro-manganese, or other manganese-containing master alloy, sublimates during sintering. The manganese vapors formed then form their own protection against oxidation of the alloying elements in the material system by reaction with oxygen from the protective atmosphere. The necessary homogeneity of the structure of these steels is achieved by sintering at the higher temperatures indicated. Subsequent full density bodies are preferably chemically thermally treated or refined. This achieves the desired toughness and hardness in the final state. This whole cell is ultimately also laonic in powder form.

Příklad 1Example 1

K železnému prášku bol přidaný mangán a uhlík vo formě uhlíkového feromangánu v množstve, odpovedajúcom hmotnostnej koncentrácii 2,5 % Mn a 0,31 % C, molybdén vo formě feromolybdénu v množstve odpovedajúcom 0,5 í Ho a 0,8 % stearánu zinočnatého ako mazadlo. Po premiešaní _3 z tejto práškovej zmesi bolí vylisované výlisky hustoty 6,2 g.cm , ktoré boli spekané pri teplote 1 220 °C počas 30 minút v štiepenom Čpavku. Spekané predtvarky boli po ohřeve v dusíku pri teplote 1 050 °C kované na polovýrobky vonkajších krúžkov kuželíkového ložiska 30 207 relatívnej hustoty 98 %, ktoré boli potom v nevyhnutnom rozsahu trieskovo opracované.To the iron powder was added manganese and carbon in the form of carbon ferro-manganese in an amount corresponding to a concentration of 2.5% Mn and 0.31% C by weight, molybdenum in the form of feromolybdenum in an amount corresponding to 0.5% Ho and 0.8% zinc stearate as lubricant. After mixing 3 from this powder mixture, compacts of 6.2 g.cm were pressed and sintered at 1220 ° C for 30 minutes in digested ammonia. The sintered preforms were forged, after heating in nitrogen at a temperature of 1050 ° C, to tapered outer ring blanks 30 207 of a relative density of 98%, which were then machined to the necessary extent.

Po nasledujúcom chemicko-tepelnom spracovaní cementáciou krúžky boli obvyklým spůsobom brúsené a boli zmontované na ložiská, ktoré boli skúšané na základné trvanlivost. Za normovaných podmienok pri skúšobnom zatažení 22 580 N pri frekvenii otáčania 2 800 ot.min ⁴ložiská dosiahli trvanlivost 51,5 hodin, čo představuje 177 % v porovnaní s požadovanou minimálnou katalogovou travanlivosťou pre toto ložisko vyrobené klasickou technológiou z valcovanej ložiskovej ocele, ktorá je 29 h pre uvedené podmienky skúšky.After the subsequent chemical-heat treatment, the rings were ground in the usual manner and assembled to bearings that were tested for basic durability. Under standardized conditions at a test load of 22,580 N at a rotational speed of 2,800 rpm, ⁴ bearings achieved a durability of 51.5 hours, which is 177% compared to the required minimum catalog durability for this bearing produced by conventional rolled bearing steel technology, which is 29 h for the above test conditions.

Příklad 2Example 2

K železnému prášku obsahujúcom 0,35 % Mn bol priadný práškový nikel v množstve 1 %. práškový feromolybdén v množstve odpovedajúcom 0,3 % molybdénu, uhlík vo formě grafitu v množstve 0,4 % a mazadlo v množstve 0,8 % hmotnostných. Po premiešaní z tejto práškovej zmesi boli za rovnakých podmienok ako v příklade 1 vylisované, spekané a vykované polovýrobky toho samého typu krúžku. Ložiská zmontované s týmito krúžkami pri skúške na základnú trvanlivost pri frekvencii otáčania 4 200 ot.min^-^ dosiahly bez porušenia předmětných krúžkov trvanlivost 53 h, čo odpovedá 115 % v pórovaní s požadovanou katalogovou trvanlivosťou pre tento typ ložísk, vyrobených z liatej ocele, ktorá za použitých podmienok namáhania je 46 hodin.Nickel powder was added to the iron powder containing 0.35% Mn in an amount of 1%. powdered ferro molybdenum in an amount corresponding to 0.3% molybdenum, carbon in the form of graphite in an amount of 0.4% and a lubricant in an amount of 0.8% by weight. After mixing from this powder mixture, under the same conditions as in Example 1, blanks of the same type of ring were pressed, sintered and forged. Bearings assembled with these rings in the basic durability test at a rotation speed of 4200 rpm ^, without breaking the rings in question, achieved a durability of 53 h, which corresponds to 115% in comparison with the required catalog life for this type of cast steel bearings which under applied stress conditions, it is 46 hours.

Na prikladoch bolo preukázané, že prášková ocel a spůsob jej výroby podlá vynálezu možno úspěšně využit aj na výrobu takých náročných súčiastok, ako sú napr. krúžky valivých ložísk. Tieto súčiastky sú typickým predstavitelom súčiastok namáhanách na kontaktnú únavu, pri ktorej k vzniku porúch dochádza iba v tenkej podpovrchovej vrstvě materiálu obežnej dráhy. Podlá doterajšieho spůsobu použila bý sa prášková nízkolegovaná ocel obsahujúca 2 % Ni a 0,5 % Mo, pričom prášok by bol rozstrekovaný. Túto ocel možno úspěšně využit aj na výrobu ozubených kolies, ojníc, motorov a pod. Vynález je využitelný v priemysle práškovej metalurgie s priamou aplikáciou na výrobu súčiastok prě priemysl valivých ložísk ale aj pre iné strojárske odvetvia za ekonomicky výhodnějších podmienok v pórovaní s terajšou výrobou.It has been shown in the examples that the steel powder and the method of its production according to the invention can also be successfully used for the production of such demanding parts, such as e.g. Roller bearing rings. These components are typically representative of components subjected to contact fatigue, in which failure occurs only in a thin subsurface layer of raceway material. According to the prior art, low-alloy powder steel containing 2% Ni and 0.5% Mo was used, the powder being sprayed. This steel can be successfully used for production of gears, connecting rods, engines etc. The invention is applicable in the powder metallurgy industry with direct application to the manufacture of parts for the rolling bearings industry but also for other mechanical engineering industries under more economical conditions compared to the current production.

Claims

3 258221 Different combinations of alloying elements within the group are possible. Another advantage of the steel is that it is possible to make smaller amounts of special composition from it as required. The steel prepared in this way has a higher compressibility for the presence of a soft iron powder in the mixture. This steel, even in the case of alloying with elements such as Mn, Cr and Si, can be successfully sintered in operating purity atmospheres, although a dew point atmosphere of at least -40 ° C was required to sinter them. This is due to the fact that the manganese added to the iron powder, as an elemental element or ferro-manganese, or as another manganese-containing master alloy, sublimes during sintering. The resulting manganese vapors then form their own protection against the oxidation of the alloying element in the material system by reaction with the oxygen of the protective material. atmosphere. The required homogeneity of the structured steel is achieved by sintering at the indicated higher temperatures. The subsequent full-density bodies are preferably chemically-heat treated or refined. This results in the desired toughness properties and hardness in the final. This powder is ultimately also cheaper in powder form. Example 1 Manganese and carbon in the form of carbon ferro-manganese were added to the iron powder corresponding to a weight concentration of 2.5% Mn and 0.31% C, molybdenum in the form of ferro molybdenum corresponding to 0.5 µm and 0.8% zinc stearate. as a lubricant. After mixing from this powder mixture, molded compacts were 6.2 g.cm thick, sintered at 1,220 ° C for 30 minutes in cleaved ammonia. The sintered preforms were forged on the outer rings of the conical bearing 30 207 of a relative density of 98% after heating the nitrogen at a temperature of 1050 ° C, which were then machined to the necessary extent. After the subsequent chemo-heat treatment by cementation, the rings were conventionally grinded and mounted on bearings that were tested for basic durability. Under standard conditions, with a test pull of 22 580 N at a rotational speed of 2 800 rpm, the 1-layer reached a shelf life of 51.5 hours, which represents 177% compared to the required minimum catalog traverse for this bearing made of conventional rolled bearing steel, which is 29 h for the above test conditions. EXAMPLE 2 Nickel powder of 1% powdered ferro molybdenum corresponding to 0.3% molybdenum, carbon in the form of graphite in an amount of 0.4% and a lubricant in an amount of 0.8% by weight were added to the iron powder containing 0.35% Mn. After mixing from this powder mixture, under the same conditions as in Example 1, a semi-bead of the same type of ring was pressed, sintered and forged. Bearings assembled with these rings when tested for a basic durability at 4,200 rpm achieved a durability of 53 h without breaking the rings, corresponding to 115% of the pores with the required catalog durability for this type of cast steel made. the stress is 46 hours. In the examples, it has been shown that powdered steel and its method of manufacture can also be successfully used in the manufacture of such complicated components, such as roller bearing rings. These components are typically representative of the fatigue-stressed components that only occur in the thin subsurface layer of the circulating material. According to the prior art, low-alloy powdered steel containing 2% Ni and 0.5% Mo was used, with the powder being sprayed. This steel can be successfully used for the production of gears, connecting rods, motors and the like. The invention is applicable in the industry of powder metallurgy with direct application for the production of components of rolling bearings but also for other engineering branches under economically more advantageous conditions in poring with current production. 258221 SUBJECT MATTER

A powdered low alloy steel comprising 0.2 to 1% Ca 0.3 to 2% Mn and one element group consisting of 0.2 to 1% Si, 0.3 to 1% Ni, 0.2 to 0.5% of Mo, 0.3 to 1.5% of Cu, 0.1 to 0.3% of P, and a combination of two or more of these elements, the remainder, except for pollution, being iron,

2. A method for producing low alloy steel according to claim 1, wherein said iron powder is added to said powdered powder and then mixed with a lubricant and compressed in a closed mold. cold compacts having a density of 5.5 to 7.3 g.cm, which are then sintered in a protective atmosphere at temperatures of 1100 to 1350 ° C for 120 to 5 minutes, to which hot-cured thermoforming to full density with forging and extrusion are preferred . Severografia, n. P., MOST Price 2,40 Kcs