CZ20013818A3

CZ20013818A3 - Ocelový obráběcí stroj k obrábění kovů za studena, jeho vyuľití a výroba

Info

Publication number: CZ20013818A3
Application number: CZ20013818A
Authority: CZ
Inventors: Odd Sandberg; Bo Rydell
Original assignee: Uddeholm Tooling Aktiebolag
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2002-10-16
Also published as: SE9901554L; AU4789800A; KR20020012556A; WO2000066801A1; ATE280249T1; CN1108395C; CA2369298A1; SE514226C2; SE9901554D0; DE60015130D1; US6837945B1; CN1348507A; JP2002543290A; EP1194604B1; EP1194604A1

Description

Ocelový obráběcí stroj k obrábění kovů za studená, jeho využití a výroba

1A/ QM1 ~ ·«··'·« ·Φ ·

Φ 11 » 19 4 1 1 4 11

1 1 1 111 1111 1 1114 1

111 Φ 1 111

4444 111 111 49 444

Oblast techniky

Vynález se týká ocelového výrobku, jeho využití k výrobě obráběcích strojů opracovávajících kovy za studená a způsobu výroby takového výrobku.

Dosavadní stav techniky

Nároky na materiály určené pro oceli ke zpracování za studená vzrůstají, zvláště pak u určitých použití, jejichž nárokům nelze uspokojivě vyhovět materiály, které jsou právě komerčně dostupné. Zvláště to platí ve spojení s aplikacemi, u kterých je hlavním problémem odolnost proti odírání v okamžiku, kdy má mít objekt současně dostatečnou houževnatost. Použití takového druhu jsou u válců určených k válcování nerezové oceli za studená a zvláště u válců pro výrobu nerezových trubek, čili aplikace pro kterou byl vynález specificky vypracován. Vynález lze však aplikovat také na jiné typy ocelí zpracovávaných za studená, například pro stroje na protlačování za studená, práškové lisování a hluboké tažení.

Jakostní ocel, která je dnes používána na válce pro poutnické válcování nerezových trubek, je známá pod svým obchodním názvem SRÍ 855 a má nominální složení 0,96 % C, 1,50 % Si, 0,80 % Mn, 1,0 % Cr, zbytek je železo a nečistoty v obvyklém množství (pokud nebude uvedeno jinak, všechna procenta jsou v celé přihlášce hmotnostní). Taková ocel vykazuje dostatečnou tvrdost pro produkty jako jsou poutnické válce na výrobu nerezové oceli. Ocel vyrobená obvyklou cestou má nevyhovující odolnost povrchu vůči oděru a má také špatný povrch z důvodů obsahu velkého množství karbidů typu M3C. Další ocel, která byla testována pro poutnické válce je jakostní ocel metalurgicky vyráběná jako prach a je známa pod registrovaným obchodním názvem VANADIS®4 a má nominální složení 1,5 % C, 1,0 % Si, 0,4 % Mn, 8,0 % Cr, 1,5 % Mn, 4,0 % V, zbytek je železo a nečistoty v obvyklém množství. Na poutnické válce byla použita také standardizovaná ocel SS2242 pro zpracování za horka. Taková ocel má nominální složení 0,39 % C, 1,0 % Si, 0,4 % Mo, 5,2 % Cr, 1,4 % Mn, 0,9 % V, zbytek je železo a nečistoty v obvyklém množství. Dále je použita standardizovaná rychlořezná ocel Ml a také komerčně dostupná, metalurgicky vyráběná prášková rychlořezná ocel VANADIS®23, která má nominální složení 1,28 % C, 4,4 % Cr, 5,0 % Mo, 6,4 % W, »« «« 9 * ·· • » · · · · · · · ♦

4 9 4 9 4 4 · 9 4 4 9 9

4494 444 944 94

3,1 % V a obvyklá množství Mn, Si a neodstranitelné nečistoty. Posledně jmenovaná ocel má velmi dobrou odolnost povrchu, ale nezajišťuje produktu dostatečnou houževnatost. Kromě toho jsou takové oceli poměrně drahé, protože obsahují vysoké množství slitinových prvků anebo jsou vyráběny nákladnou práškovou metalurgií.

Podstata vynálezu

Stručný popis vynálezu

Předmětem vynálezu je zajistit materiál pro válce pro poutnické válcování nerezových trubek za studená, který však lze také použít i pro jiné aplikace za studená a který spojuje velmi dobrou odolnost povrchu, zvláště velmi dobrou odolnost vůči oděru, s dostatečnou houževnatostí produktu.

Toho lze dosáhnout volbou chemického složení, což je vlastní rys vynálezu, v kombinaci s výrobní technikou, která je buď konvenční (proto, aby se předešlo nežádoucímu vysokému obsahu karbidů, kvůli procesu pomalého chlazení ve spojení s obvyklou výrobou ingotu anebo plynulým litím), nebo se jedná o práškovou metalurgii, která zajišťuje velmi malé karbidy k dosažení požadované odolnosti povrchu.

Chemické složení vynalezené oceli je uvedeno v připojených patentových nárocích a bude detailněji popsáno v následujícím textu.

Struktura oceli ve výrobku obsahuje v souladu s vynálezem po kalení a popouštění obsahuje popouštěný martenzit, který obsahuje 4 až 12 % objemových karbidů typu MC, které se vysráží během procesu tvrdnutí, přičemž nejméně 80 % objemových, výhodně nejméně 90 % objemových karbidů má velikost větší než 1 pm, ale menší než 20 pm.

Aby se dosáhlo výše zmíněné disperze karbidu, lze použít některé samy o sobě známé techniky. V prvé řadě se doporučuje takzvaná rozstřikovací technika, která je známa pod názvem metoda OSPREY, ve spojení s ní se odlévání úspěšně provádí tak, že se tavenina ve formě kapek rozstřikuje proti narůstajícímu konci ingotu, který je tak postupně vyráběn díky faktu, že kapky tuhnou jakmile zasáhnou základ, avšak ne tak rychle jako u práškové výroby a ne tak pomalu jako u konvenční výroby ingotů nebo u plynulého lití. Zavedením této techniky budou vysrážené, výše zmíněné karbidy typu MC, nejvíce mít velikosti výhodně v nižší části rozmezí 1 až 20 pm, výhodněji v rozmezí 1 až 10 pm a nejvýhodněji v rozmezí 2 až 10 pm.

Další užitečnou technikou je ESR přetavování (elektrostruskové přetavování), zvláště pro výrobu produktů s většími rozměry, tj. s průměrem od 350 mm až do 600 mm. Při použití této ·· »· 9 • 9 · · ♦ · ·

9 9 · • · · · 9

9 9 ·

9999 999 9

9

9 techniky nají vysrážené, výše zmíněné karbidy typu MC nejvíce velikosti výhodně v horní části rozmezí 1 až 20 pm, výhodněji v rozmezí 3 až 20 pm a nejvýhodněji 5 až 20 pm.

Následující text je věnován různým slitinovým prvkům, které bývají v oceli přítomny.

Uhlík má být v oceli v dostatečném množství, na jednu stranu spolu s vanadem a eventuelně se vyskytujícím niobem tvoří 4 azl2 % objemových MC karbidů, kde M je nejvýhodněji vanad, a na druhou stranu má být v pevném roztoku ve hmotě oceli v množství 0,8 až 1,1 %, výhodně 0,9 až 1,0 %. Vhodný obsah uhlíku rozpuštěného ve hmotě oceli je 0,95 % hmotn. Celkové množství uhlíku v oceli, tj. uhlíku, který je rozpuštěn ve hmotě oceli a uhlíku, který je vázán v karbidech, má být nejméně 1,2 %, výhodně nejméně 1,3 %, zatímco nejvyšší obsah uhlíku má být do 2,5 %, výhodně 2,3 %.

Podle prvního výhodného provedení vynálezu obsahuje ocel 1,7 až 2,0 % uhlíku, výhodně 1,75 až 1,9 %, nominálně 1,8 %, spolu s tímto nominálním množstvím uhlíku obsahuje 3,6 % vanadu, aby se zajistil celkový obsah MC karbidů 6 až 12 % objemových, výhodně 7 až 10 % objemových, přičemž vanad lze částečně nahradit dvojnásobným množstvím niobu.

Podle druhého výhodného provedení vynálezu obsahuje ocel 1,5 až 1,8 %, výhodně 1,55 až 1,7 % uhlíku a vhodné nominální množství je 1,6 % , spolu s tímto nominálním množstvím uhlíku obsahuje ocel 2,3 % vanadu, který lze částečně nahradit dvojnásobným množstvím niobu tak, aby se zajistil obsah MC karbidů 4 až 8 % objemových, výhodně 4 až 6 % objemových.

Křemík, který lze částečně nahradit hliníkem, má mít spolu s eventuelně se vyskytujícím hliníkem celkový obsah 0,8 až 2 %, výhodně 1,2 až 1,8 %, nejvýhodněji 1,3 až 1,7 %, nebo je přítomen v nominálním množství 1,5 %, tak aby vzrostla aktivita uhlíku v oceli a tím se dosáhlo dostatečné tvrdosti bez přítomnosti problémů s křehkostí následkem rozpouštěcího kalení při příliš vysokém obsahu křemíku.. Nicméně obsah hliníku nesmí překročit 1,0 %. Výhodně neobsahuje ocel více něž 0,1 % hliníku.

Mangan a chrom mají být v oceli v dostatečném množství tak, aby byla ocel dostatečně kalitelná. Mangan také váže zbytková množství síry, které se v nízkých množstvích v oceli nachází, a tvoří s ní sulfid manganatý. Mangan se tak nachází v množství 0,1 až 1,5 %, výhodně v množství nejméně 0,2 %. Nejvýhodněji obsah leží v rozmezí 0,4 až 1,2 %, nejobvykleji pak v rozmezí 0,7 až 1,1 %. Nominální obsah manganu je 0,8 %.

Dále se v oceli nachází chrom, spolu s manganem uděluje oceli kalitelnost, která je přizpůsobena jejímu zamýšlenému použití. V tomto spojení je kalitelností myšlena schopnost kalení proniknout více či méně hluboko do tvrzeného objektu. Kalitelnost má být dostatečná, aby objekt byl vytvrzen do určité hloubky pod povrchem tak, že tvrdost povrchu dosažená *» ·» « · ·· ·»·* · » ·♦ » » · • » · · · · · kalením a popouštěním má velikost 58 až 62 HRC, zatímco v centru objektu nebo v hloubce 30 mm od povrchu či hlouběji, nemá přesáhnout tvrdost dosažená po kalem a popouštění 40 HRC. K dosažení toho má být obsah chrómu 0,5 až 1,5 %, výhodně 0,7 až 1,3 % a nej výhodněj i 0,9 až 1,15 %. Nominální zastoupení chromuje 1,0 %.

Vanad má být v oceli v množství nejméně 1,2 % a nejvýše 5,0 %. Výhodně je obsah vanadu 1,8 až 4,2 %, ten tvoří s uhlíkem MC karbidy. Zpravidla lze nahradit vanad niobem.

Vzhledem k tomu je však potřeba dvakrát tolik niobu ve srovnání s vanadem, který je nevýhodný. Kromě toho niob zapříčiňuje, že karbidy zaujímají mnohem ostřejší tvar a jsou větší než čistě vanadové karbidy, které mohou způsobit zlomy nebo štěpy a následně tak snížit houževnatost materiálu. Niob se tudíž nesmí nacházet v množstvích větších než 1,0 %, výhodně 0,5 %. Nejvýhodněji by ocel neměla obsahovat žádný záměrně přidaný niob, který je v nejvýhodnějším provedení oceli tolerován pouze jako nečistota ve formě zbytkových prvků pocházejících ze surovin použitých k výrobě oceli.

Podle prvního výhodného provedení je obsah MC karbidů v materiálu 6 až 12 % objemových. Obsah vanadium je v tomto případě nejméně 3,2 % a nejvýše 4,2 %, výhodně 3,4 až 4,0 %, vhodně nejvýše 3,8 %. Nominální obsah vanadu je podle prvního provedení 3,6 %.

Podle výše zmíněného druhého výhodného provedení má být obsah vanadu nejméně 1,8 % a nejvýše 3,0 %, vhodně 1,9 až 2,5 %. Nominální obsah vanadu je v tomto případě 2,3 %.

Ocel by neměla obsahovat ještě více nějakých dalších, shora nezmíněných slitinových prvků ve význačném množství. Některé prvky jsou jednoznačně nežádoucí, protože mají nežádoucí účinek na vlastnosti oceli. To je např. případ molybdenu a wolframu, které tvoří nežádoucí karbidy. Molybden také silně zvyšuje kalitelnost oceli, což je v rozporu s jedním z cílů vynálezu, tedy zajistit houževnaté jádro produktu. Molybden a wolfram by tedy neměly být záměrně do oceli přidávány, lze je tolerovat v množství nejvýše 0,3 %, resp. nejvýše 0,6 %, ale nejvýhodněji by neměly být v oceli v množstvích přesahujících množství neodstranitelných nečistot, nejvýše tedy 0,05 % každého z nich.

Obsah fosforu je dobré držet na co nejnižší hladině proto, aby se nesnížila tvrdost.

Nežádoucí prvek je také síra, ale její negativní vliv na tvrdost lze výhodně kompenzovat účinkem manganu, který tvoří v podstatě neškodné sulfidy manganu. Síru lze tedy tolerovat v nejvyšším množství 0,05 %, výhodně 0,02 %. Další nežádoucí prvek je nikl a to díky svému účinku na kalitelnost a neměl by se vyskytovat v množství větším než 0,3 %, výhodně v množství neodstranitelné nečistoty. Celkové množství niklu, molybdenu a mědi by nemělo

φφφ

ΦΦ ·9 · φ φ · · φ· φφφ φ φ φ φ φ φ φφφ φ • Φ «φφφ φφφ přesáhnout 0,5 %, výhodně 0,25 %. Dusík se vyskytuje jako neodstranitelná nečistota, nepatří však mezi prvky, které lze mdo oceli záměrně přidat.

Kobalt lze tolerovat v množství nejvýše 1,0 % jako netečný prvek. Přesto, jedná se o drahý prvek a neměl by se vyskytovat jinak, než jako neodstranitelná nečistota pocházející z výchozích surovin.

Při výrobě ocelového výrobku podle vynálezu je nejdříve tavením základní suroviny obvyklou cestou vyrobena tavenina, slitina je upravena deoxidací a desulíurizací. Poté jsou z takové taveniny vyrobeny ingoty a to použitím některých případných technik, o jejichž použití rozhoduje požadovaná velikost karbidů v konečné, kalené a popouštěné oceli, což ve své podstatě závisí na zamýšleném použití oceli. Pokud jsou vyžadovány poměrně malé karbidy, což znamená, že nejméně 80 % objemových má mít velikost 1 až 10 pm, výhodně 2 až 10 pm, vhodně se použije technika rozstřikování známá pod svým obchodním názvem OSPREY. Více informací o této technice lze nalézt v článku: „The production of advance materials by means of the OSPREY process“, A.G.Leatham et al., Metal Powder Industries Metallurgy, Vol. 18-21, 1988, vydáno u Metal Powder Industries Federation, Princeton, N.J.

Pokud jsou spíše vyžadovány hrubější karbidy, což znamená že nejméně 80 % objemových má velikosti 3 až 20 pm, lze odlít z taveniny ingoty s velikostí vhodnou pro elektrody ESR přetavování (elektrostruskové přetavování), ingoty jsou poté přetaveny ESR metodou na ingoty určené k dalšímu použití. Vyrobené ingoty, ať už jsou vyrobeny rozstřikovací metodou nebo ESR přetavováním, jsou dále kovány anebo válcovány na požadované rozměry tak, aby se získal výrobek podle vynálezu.

Nicméně při výrobě v laboratorním měřítku, která bude dále popsána, nebyla žádná z výše zmíněných technik použita. Také nebyl použit celý postup na přípravu kovové taveniny, která je stručně popsána výše a která je použita pro výrobu v plném měřítku. Místo toho byly roztavením změřených množství slitinových prvků vyrobeny 50 kg laboratorní tavby tak, jak bylo možno co nejpřesněji touto technikou a získaly se tak experimentální materiály s nominálním složením. Potom byla tavenina odlita v odizolovaných formách a v nich dále zchlazena, tak byly získány ingoty oktagonálního tvaru se 150mm příčným řezem. Ingoty potom byly kovány na průměr 60 mm. Mikroskopické studie takto získaných materiálů, které měly chemické složení odpovídající vynálezu, ukázaly, že bylo dosaženo požadované distribuce velikostí MC karbidů, viz výše. To ukazuje, že výrobní technika, kterou se získají ingoty daných rozměrů, zajišťuje vysrážení MC karbidů požadované velikosti a množství během procesu tvrdnutí, zatímco větší, nežádoucí karbidy se nevytvořily. Lze to také považovat za míru rozsahu tuhnutí, který je žádaný k dosažení struktury karbidu podle « · · «··· 4 vynálezu. Avšak to neznamená, že ingoty podle vynálezu by měly být vyráběny v těchto rozměrech v komerční produkci. Při komerční produkci ingotů s velkými rozměry, jak to odpovídá OSPRAY technice anebo ESR technice, je chlazení značně zesíleno, přinejmenším pokud jde o OSPRAY techniku a to vzhledem k povaze této techniky, takže konečný výsledek, pokud jde o velikosti karbidů, je takový, jako u laboratorní výroby menších ingotů.

Další rysy a aspekty vynálezu budou patrné z patentových nároků a z následujícího, detailního popisu vynálezu a z předložených pokusů.

Stručný popis obrázků

V následujícím textu bude detailněji vysvětlen vynález, budou popsány předložené pokusy, přičemž odkazováno je na přiložené obrázky, kde obr. 1 ukazuje základní design poutnických válců na válcování nerezové oceli za studená; obr.2 ukazuje poutnický válec v příčném řezu mezi přímkami II - II v obr. 1; obr.3 ukazuje mikrostrukturu experimentálního materiálu;

obr.4 ukazuje rázovou pevnost a tvrdost zkoušeného materiálu a obr. 5 je sloupcový graf opotřebení některých zkoušených materiálů.

Přesný popis vynálezu a předložené pokusy

Pokud se vyrábějí trubky válcováním za studená, jako třeba trubky z nerezové oceli, způsobem odpovídajícím procesu poutnického válcování, používají se dva protilehlé válce válcovací stolice, v textu označené jako válce 1 a jsou typu podle obrázků 1 a 2. Válce mají kónický žlab 2, který zaujímá polovinu obvodu válců. Žlábek začíná rozměrem, který odpovídá rozměru trubky válcované za horka, která je startovním materiálem pro poutnické válcování, a dále se zužuje až na konečnou velikost. Střední otvor pro nevyobrazenou tyč je označen číslem 4.

Během válcování jsou válce vystaveny rychlým pohybům vpřed a vzad. Válcování se provádí běhen pohybu vpřed. U poutnického válcování jsou možné velmi velké omezení těchto pohybů, až 90 %. U nerezových ocelových trubek jsou běžně ztráty 50 až 70 %. Jeden průchod při poutnickém válcování odpovídá 3 až 5 průchodům při tažení za studená. Rychlost je mezi 40 až 100 rázy za minutu a posun trubky je 4 a 15 mm na ráz. Je jasné, že tlaky na poutnické válce, které se použijí tak, jak je výše popsáno, jsou velmi velké. Tudíž zvláště odolnost vůči oděru v žlabu 2, který je aktivní pracovní částí pro tvarování trubky , má být ·· • · • · · ·· ···· η»

W« 4 • · ·· · · • · · · · • 4 · · ··· *· ·ι* velmi dobrá, stejně jako současně houževnatost povrchové vrstvy 5 má být dostatečná tak, aby nedošlo ke štípání. Dostatečná má být také pevnost celého stroje tak, aby se zabránilo celkové poruše díky křehkým lomům. Centrální část 3 stroje, která je označena tečkovanými čarami v obr. 2, mezi žlabem 2 a centrálním otvorem 4, by měla mít velmi dobrou houževnatost.

Materiál centrální části 3 má mít tudíž nízkou tvrdost, což zajišťuje dostatečnou houževnatost celému stroji 1, zatímco válec 1 v části 5 žlabu 2 má mít do určité hloubky pod povrchem tvrdost 58 až 62 HRC a velmi vysokou odolnost vůči oděru. Dostatečná má být také houževnatost jádra výrobku tak, aby se zabránilo zlomení výrobku, a povrchové části tak, aby se zabránilo štípání. Stejný princip se aplikuje také pro jiné typy strojů k obrábění za studená než pro poutnické válce. Hloubka kalení však může různě záviset na zamýšleném použití oceli pro různé typy strojů a na rozměrech a tvarech strojů. Pro současně aplikace je hloubka kalení nejméně 10 pm a může být žádoucí a vhodná, zatímco v jiných případech je tvrdost 58 až 62 HRC dostatečná anebo žádoucí jen do hloubky 3 pm pod povrchem.

Výrobní pokusy v laboratorním měřítku

První série výrobních pokusů v laboratorním měřítku zaměřená na výzkum zda vynalezený materiál zajistí požadavky na materiál v části 5 koncipovaného poutnického válce.

V tabulce 1 odpovídá složení ocelí č. 1 až ě. 3 nominálnímu složení experimentálních slitin v prvních pokusných sériích. Oceli č. 4 až č. 6 jsou pokusné slitiny, hodnoty uvedené v tabulce 1 udávají složení těchto ocelí. Hodnoty pro oceli č. 7 a č. 8 jsou nominálním složením ocelí, které odpovídá vynálezu s výhodným složením, a jsou založeny na výsledcích prvních sérií pokusů. Kromě prvků zmíněných v tabulce 1 obsahují oceli také menšinové množství dalších nečistot, které nejsou zmíněny. Obsah kyslíku v ocelích č. 4 až ě. 6 je tedy 48,43 a 41 ppm. V tabulce uvedené oceli č. 1 a č. 4 jsou referenční materiály typu SRÍ 855.

Tabulka 1

Chemické složení, % hmotnostní

Ocel v c.	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	V	N	Zbytek
1	0,96	1,50	0,80	Max 0,025	Max 0,020	1,0	Max 0,10	Max 0,07	Max 0,03	Max 0,03	Fe
2	1,50	1,50	0,80	Max 0,025	Max 0,020	1,0	Max 0,10	Max 0,07	2,0	Max 0,03	95
3	2,00	1,50	0,80	Max 0,025	Max 0,020	1,0	Max 0,10	Max 0,07	4,0	Max 0,03	59
4	0,95	1,28	0,84	0,007	0,005	1,23	0,14	0,03	0,09	0,011	99
5	1,43	1,28	0,88	0,008	0,006	1,21	0,15	0,01	1,86	0,016	59
6	1,91	1,17	0,98	0,011	0,008	1,23	0,16	0,01	4,07	0,030	95
7	1,80	1,50	0,80	Max 0,025	Max 0,020	1,0	Max 0,10	Max 0,07	3,6	Max 0,03	55
8	1,60	1,50	0,80	Max 0,025	Max 0,020	1,0	Max 0,10	Max 0,07	2,3	Max 0,03	55

Tavby o hmotnosti 50 kg byly vyrobeny z pokusných slitin, které byly odlity do forem za tvorby ingotů, které byly kovány na průměr 60 mm.

Byly provedeny následující materiálové testy :

- Tvrdost (HB) po měkkém žíhání.

- Mikrostruktura při měkkém žíhání a po žhavení 870°C/30 min/olej + 300°C/2x2h, na povrchu a ve středu průměru 60 mm.

- Tvrdost po popouštění 300°C/2x2h pro Ta = 870°C/min/olej.

- Testování oděru působením SÍO2 papíru. T_A = 870°C/min/olej + 300°C/2x2h.

- Nárazové testy s testovacími vzorky při 20°C, LT2. T_A = 870°C/min/olej + 300°C/2x2h.

Tvrdost po měkkém žíhání

Pro tváření strojů na obrábění za studená, například poutnických válců, pomocí řezných strojů je žádoucí, aby tvrdost při podmínkách měkkého žíhání nebyla příliš vysoká. Tvrdost při měkkém žíhání ocelí 5 a 6 byla 249 HB a 269 HB, což je uspokojivé. Referenční materiál, ocel č. 4, měl tvrdost při měkkém žíhání 241 HB.

Mikrostruktura

Byla zkoumána mikrostruktura při měkkém žíhání a po žhavení 870°C/30 min/olej + 300°C/2x2h, na povrchu a ve středu tyče o průměru 60 mm.Množství MC karbidů o velikostech v rozmezí charakteristickém pro vynález, viz výše a přiložené nároky, vzrostlo spolu se vzrůstem obsahu vanadu a to vypovídá o tom, že karbidy vanadu byly rovnoměrně dispergovány v materiálu. Na obr. 3 je ukázána mikrostruktura oceli č. 4 při měkkém žíhání.

Tvrdost po tvrzení a temperování

Podle uvedených nároků vynálezu je žádoucí, aby tvrdost povrchu konečného vyrobeného stroje byla 58 až 62 HRC, nejvýhodněji nejméně 60 HRC. Na obr. 4 je ukázána tvrdost testovaných materiálů po austenizaci při T_A= 870°C/30 min/olej, ukončené v oleji a po popouštění při 300°C/2x2h.

Houževnatost

Výsledky tahové zkoušky prováděné za teploty místnosti s ne vrubovými testovanými vzorky jsou ukázány na obr. 4 pro oceli č. 4, 5 a 6. Houževnatost klesá se vzrůstajícím obsahem vanadu, ale stále je posuzována jako dostatečná z hlediska zabránění štípání v povrchové vrstvě stroje.

Odolnost proti oděru

Odolnost vůči oděru je kritickým rysem materiálu, zvláště u poutnických válců, ale také u jiných strojů pro obrábění za studená využívaných u několika dalších aplikací. Odolnost vůči oděru byla zkoušena testem s S1O2 jako abrasivním činidlem. Graf na obr. 5 ukazuje, že odolnost vůči oděru oceli č. 5 a zvláště oceli č. 6 byla mnohem lepší než u referenčního materiálu, oceli č. 4. Testovací materiály byly kaleny při 870°C/30 min, kalení bylo ukončeno v oleji a materiály byly popouštěny při 300°C/2x2h.

Materiálové testy, které byly provedeny se vzorky vyrobenými ze tří laboratorních taveb, ukázaly, že vysoký obsah MC karbidů, kde M je výhodně vanad, je nezbytný k dosažení požadované odolnosti proti oděru, ale také proti adhesi. Zvláště ocel č. 6 splňuje takový požadavek. Tato ocel také splňuje požadavky, které se týkají povrchové tvrdosti.

Pokusy vycházející z plných výrobních množství

Použitím konvenčních technik na výrobu oceli byly vyrobeny tavby v plném výrobním rozsahu s chemickým složením podle tabulky 2.

Tabulka 2

Chemické složení, % hmotnostní

Ocel v c.	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	V	A	Zbytek
9	1,51	1,48	0,85	0,029	0,026	0,96	0,1	0,21	2,23	0,049	Fe
10	1,63	1,26	0,83	0,016	0,0007	1,02	-	0,05	2,38	0,011	Fe

Kromě slitinových prvků a nečistot uvedených v tabulce 2 obsahují oceli jen železo a nečistoty, které nejsou zmíněny v tabulce se nachází v oceli v množstvích odpovídajících běžné výrobní praxi.

Ocel č. 9 obsahovala neúmyslně množství molybdenu větší, než je žádoucí, ale stále pod hranicí maxima tolerovaného v širokém přípustném rozsahu.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Z oceli č. 9 byl rozstřikovací technikou odlit ingot o průměru 500 mm postupem, který bude následně stručně popsán. Kapky byly vytvořeny plynovou atomizací par roztavené oceli. Roztavené kapky byly nestříknuty proti rotačnímu disku, na kterém rychle tuhnout rychlým ochlazením; rychlost chladnutí je 10² až 10^3oC/s. Ingot byl úspěšně umístěn na plotnu o průměru 500 mm a v nastříkávání kapek na narůstající ingot technikou, která je sama o sobě známa, se pokračovalo dokud ingot nedosáhl požadované délky. Takto získaný ingot byl ponechán volně chladnout na vzduchu, poté byl ohřát na 1100 až 1200°C a kován do tvarů tyče na konečný průměr 220 mm.

Z povrchu a středu jedné vyrobené tyče byly odebrány vzorky. Měkce žíhané vzorky měly tvrdost 260 HB (Brinellova tvrdost). Vzorky byly kaleny zahříváním na 870°C/30 min a to bylo ukončeno v oleji, poté byly vzorky temperovány při 300°C/2+2 h. Byla zkoušena tvrdost, rázová pevnost nevrubových vzorků při 20°C, odolnost proti oděru S1O2 papírem a mikrostruktura kalených a temperovaných vzorků. Bylo dosaženo následujících výsledků:

Tvrdost:

Rázová pevnost (rázová energie):

Odolnost proti oděru (ztráta hmotnosti)

Mikrostruktura (velikost karbidů) až 62 HRC, průměr 61.5 HRC

J (vzorek povrchu)

13.5 J (vzorek středu)

8.9 mg/min (vzorek povrchu)

8.8 mg/min (vzorek středu) > 80 % objemových karbidů ve vzorku povrchu mělo velikost 1 až 5 pm, průměrnou velikost 2 až 3 pm > 80 % objemových karbidů ve vzorku středu mělo velikost 2 až 10 pm, průměrnou velikost 6 pm

Příklad 2

Z oceli č. 10 byly vyrobeny elektrody, z kterých elektrostruskovým přetavováním byly vyrobeny ingoty o průměru 400 mm. Ingot byl dále kován na tvar tyče o průměru 220 mm, z které byly odebrány vzorky a ty byly tepelně zpracovány a testovány stejně jako u příkladu

1. Byly získány následující výsledky:

Měkce žíhané vzorky

Tvrdost 221 HB (vzorek povrchu)

234 HB (vzorek středu)

Kalené a temperované vzorky (střední hodnoty)

Tvrdost

Rázová pevnost (rázová energie) Odolnost proti oděru (ztráta hmotnosti) Mikro struktura (velikost karbidu)

59HRC

J

11.5 mg/min >80 % objemových karbidů mělo velikost v rozmezí 5 až 20 μιη

Občas měly karbidy velikosti až do maxima 80 μηιχ 10 μηι

Průmyslová využitelnost

Oceli vyrobené podle vynálezu jsou použitelné k výrobě obráběcích strojů k obrábění kovů za studená, zvláště poutnických válců pro válcování trubek za studená.

7V 1,8 V • AAA · · · · · • A A · · ♦ A · A AAA • · A A · AAA • AAA A AAAA A

AAA A A AAA

AA AAAA AAA AAA AA AAA

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Ocelový výrobek vyzačující se t í m , že se skládá ze slitiny, která obsahuje 1,2 až
2,5 % hmotn. C, 0,8 až 2,0 % hmotn. Si, který lze částečně nahradit hliníkem, jenž se nachází v množství nejvýše 1,0 % hmotn. 0,1 až 1,5 % hmotn. Mn, 0,5 až 1,5 % hmotn. Cr, 1,2 až 5,0 % hmotn. V + Nb/2, ale nejvýše 1,0 % hmotn. Nb, zbytek tvoří železo a běžné množství nečistot, a která má mikrostrukturu, která obsahuje 4 až 12 % objemových MC karbidů.

2. Ocelový výrobek podle nároku lvyzačující se tím, že v kalené a popouštěné oceli má nejméně 80 % objemových, vhodně nejméně 90 % objemových MC karbidů velikost větší než 1 pm, ale menší než 20 pm.
3. Ocelový výrobek podle nároku 2vyzačující se tím, že v kalené a popouštěné oceli má nejméně 80 % objemových, vhodně nejméně 90 % objemových MC karbidů velikost v rozmezí 1 až 10 pm, výhodně 2 až 10 pm.
4. Ocelový výrobek podle nároku 2vyzačující se tím, že v kalené a popouštěné oceli má nejméně 80 % objemových, vhodně nejméně 90 % objemových MC karbidů velikost v rozmezí 3 až 20 pm, výhodně 5 až 20 pm.
5. Ocelový výrobek podle nároku lvyzačující se tím, že slitina obsahuje nejméně

1,3 a nejvýše 2,3 % hmotn. C.
6. Ocelový výrobek podle nároku 5vyzačující se tím, že slitina obsahuje 1,8 až 4,2 % hmotn. V.
7. Ocelový výrobek podle nároku óvyzačující se tím, že slitina obsahuje 1,7 až 2,0 % hmotn. C, výhodně 1,75 až 1,5 % hmotn. C a 3,2 až nejvýše 4,2 % hmotn. V, výhodně 3,4 až 4,0 % hmotn. V a vhodně nejvýše 3,8 V a tím, že množství MC karbidů v materiálu je 6 až

12 % objemových, výhodně 7 až 10 % objemových.
8. Ocelový výrobek podle nároku óvyzačující se tím, že slitina obsahuje 1,5 až 1,8 % hmotn. C, výhodně 1,55 až 1,7 % hmotn. C a 1,8 až nejvýše 3,0 % hmotn. V, výhodně 1,9 • · · · · · · «· ··«· ·«· *·· ·· až 2,5 % hmotn. V a tím, že množství MC karbidů v materiálu je 4 až 8 % objemových , výhodně 4 až 6 % objemových .
9. Ocelový výrobek podle kteréhokoli z nároků laž8vyzačující se tím, že slitina obsahuje 1,2 až 1,8, výhodně 1,3 až 1,7 % hmotn. Si, nejvýše 0,5 % hmotn. Al, výhodně nejvýše 0,1 % hmotn. Al.
10. Ocelový výrobek podle kteréhokoli z nároků laž9vyzačující se tím, že slitina obsahuje nejvýše 0,5 % hmotn. Nb.
11. Ocelový výrobek podle kteréhokoli z nároků lažlOvyzačující se tím, že slitina obsahuje nejméně 0,2 %, výhodně 0,4 až 1,2 % a vhodně 0,7 až 1,1 % hmotn. Mn
12. Ocelový výrobek podle kteréhokoli z nároků lažllvyzačující se tím, že slitina obsahuje 0,7 až 1,3 %, výhodně 0,9 až 1,15 % hmotn. Cr.
13. Použití ocelového výrobku podle kteréhokoli z nároků 1 až 12 na výrobu obráběcích strojů k obrábění za studená.
14. Použití podle nároku 13 na poutnické válce pro válcování trubek za studená.
15. Obráběcí stroj na obrábění kovů za studená vyzačující se tím, že je vyroben z oceli podle kteréhokoli z nároků 1 až 12 a že po kalení a popouštění má tvrdost povrchové vrstvy 5 v rozmezí 58 až 62 HRC, zatímco tvrdost jádra stroje je nejvýše 40 HRC.
16. Obráběcí stroj na obrábění kovů za studená vyzačující se tím, že tvrdost jeho povrchové vrstvy je nejméně 60 HRC.
17. Způsob výroby ocelového výrobku vyzačující se tím, že kovová tavenina se připraví ze slitiny o chemickém složení podle kteréhokoli z nároků 1 až 12 a že z této taveniny je dále vyroben ingot a to tak, že tavenina je postupně dodávána na ingot, který tak postupně narůstá a postupně nanesená tavenina chladne a tuhne rychlostí, která odpovídá rychlosti tvrdnutí, která se dosáhne kterýmkoli způsobem zahrnujícím metodu rozstřikování a ESR přetavování, u kterých se během tvrdnutí vanad slučuje s uhlíkem za tvorby MC karbidů, z nichž nejméně 80 % objemových, výhodně nejméně 90 % objemových, má velikost v rozmezí 1 až 20 μιη.