CZ2019537A3

CZ2019537A3 - Způsob termomechanického zpracování polotovarů z vysocelegovaných ocelí

Info

Publication number: CZ2019537A3
Application number: CZ2019-537A
Authority: CZ
Inventors: Bohuslav Mašek; Ctibor Štádler
Original assignee: Západočeská Univerzita V Plzni
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2020-12-09
Also published as: CZ308569B6; US20210047703A1

Abstract

Vynálezem je způsob termomechanického zpracování polotovarů z vysocelegované oceli, kdy ocelový polotovar je ohřát až na teplotu alespoň 1200 °C, poté je polotovar ochlazen a následně ohřát na teplotu tváření, při které je polotovar tvářen a následně je vychlazen na teplotu okolí.

Description

Způsob termomechanického zpracování polotovarů z vysocelegované oceli

Oblast techniky

Vynálezem je způsob termomechanického zpracování polotovaru z vysocelegovaných ocelí, kdy vysocelegovaný ocelový polotovar obsahující ostrohranné chromové karbidy je ohřát až na teplotu alespoň 1200 °C, na které je udržován po dobu alespoň 15 minut, poté je polotovar ochlazen na teplotu od 20 °C do 1100 °C a následně ohřát na teplotu tváření, při které dochází k redistribuci karbidu.

Dosavadní stav techniky

Vysocelegované nástrojové oceli vyrobené klasickou metalurgickou cestou obsahují velké ostrohranné karbidy typu M7C3, které jsou stabilní do vysokých teplot. Proto neexistuje v podstatě žádná možnost, jak tyto karbidy konvenčním tepelným zpracováním výrazně modifikovat a přeměnit na jiný morfblogicky vhodnější typ karbidů, tedy na karbidy, které by byly jemnější a rovnoměrně dispergované. Primární velké a ostrohranné karbidy způsobují značné snížení houževnatosti, a proto musí být mnohdy využívána při výrobě tohoto druhu ocelí prášková metalurgie, která umožňuje obejít nebezpečí vzniku velkých chromových karbidů. Způsob odstraňování karbidů je popsán kupříkladu v dokumentu US 10378075 B2. Dále je znám z článku ..Semi-solid processing of high-chromium tool steel to obtain microstructures without Carbide network; H. Jirkova, D. Aišman, K, Rubešová, K. Opatová, B. Mašek; In IOP Conference SeriesMaterials Science and Engineering. Bristol: IOP PUBLISHING LTD, ISSN: 1757-8981 “ způsob termomechanického zpracování oceli, který zahrnuje ohřev na teplotu min. 1200 °C po dobu min. 15 min, po kterém následuje ochlazení a opětovný ohřev na teplotu 1050 až 1100 °C po dobu nejméně 1,5 min.

Z dokumentu CN 105506249 A je dále znám způsob zpracování oceli s vysokým obsahem dusíku, který zahrnuje ohřev na teplotu 1240 až 1280 °C po dobu 5 až 10 h, ochlazení na teplotu 1130 až 1150 °C, tato teplota je udržovaná po dobu 2 až 5 hodin, pak následuje kování za tepla a ochlazení na pokojovou teplotu.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je způsob termomechanického zpracování polotovarů z vysocelegované oceli, kdy polotovar obsahující chromové karbidy je ohřát až na teplotu vyšší než 1200 °C, poté je polotovar ochlazen a následně ohřát na teplotu tváření, při které dochází k redistribuci karbidů. Tváření probíhá při teplotě v rozmezí od 1050 °C do 1100 °C, přičemž na této teplotě je polotovar udržován alespoň 1,5 minuty, kdy výsledná strukturuje tvořená karbidy rovnoměrně rozptýlenými v austenitické matrici, a následuje vychlazení na teplotu okolí.

Při teplotě tváření se chromové karbidy rozpouštějí až při teplotách nad úrovní solidu. Proto je pro odstranění těchto karbidů z vysocelegovaných nástrojových ocelí využita technologie s využitím semi-solid zpracování, kdy se ve struktuře vyskytuje směs tekuté a tuhé fáze. Materiál v tomto stavu navíc vykazuje tixotropní chování a tím ho lze tvářet metodou thixoformingu. Tato metoda dává možnost výroby tvarově složitých součástí v jednom tvářecím kroku. Při tomto procesu vznikají struktury, které jsou charakteristické polyedrickými útvary silně přesyceného austenitu, které jsou uloženy v karbidickém síťoví. Toto síťoví je tvořeno lamelámími karbidy a austenitem. Velké primární ostrohranné karbidy se tím pádem již v této struktuře nevyskytují. Austenit je v těchto strukturách tepelně mimořádně stabilní a jeho termický rozpad začíná až při teplotě 500 °C. Jeho úplný rozpad je dokončen až při žíhání na 550 až 600 °C. Samotný austenit je sice plastický, ale karbidické síťoví není schopné při RT absolvovat dostatečnou plastickou deformaci. V tlaku

- 1 CZ 2019 - 537 A3 lze však tyto struktury úspěšně plasticky deformovat. Experimentálně bylo ověřeno, že tyto struktury mohou být tvářeny za vysokých teplot mezi 1000 °C a teplotou solidu. Pň vhodné teplotě lze tvářením rozbít karbidické síťoví a vhodnou velikostí a intenzitou deformace karbidy rovnoměrně rozptýlit v austenitické matrici. Po ochlazení tyto karbidy mohou zůstat v rozptýlené formě, která přispívá ke zpevnění finální struktury. Navíc tyto karbidy brání růstu austenitického zrna po deformaci za vysokých teplot. Vlivem deformace a teploty se mohou tyto karbidy i částečně rozpouštět a po opětném vyloučení mohou přispívat k dalšímu zpevnění matrice. Pro dosažení optimálních vlastností lze matrici pak dále modifikovat dalším tepelným zpracováním, například kalením a popouštěním, nebo dokonce kalením a přerozdělením. Pokud je deformace ukončena za vhodných podmínek, vznikne struktura s jemným martenzitem.

Na nástrojových ocelích bylo nekonvenčním způsobem termomechanického zpracování provedeno odstranění velkých primárních ostrohranných karbidů chrómu, které běžně vznikají v metalurgické fázi výroby při tuhnutí taveniny a klasickým tepelným zpracováním je nelze ze struktury odstranit. Základní myšlenkou je, že přechodem přes semi-solid stav lze strukturu převést na polyedrický austenit, uložený v karbidicko-austenitickém síťoví a dalším tvářením toto síťoví rozdrobit a vytvořit jemnou strukturu martenziticko-austenitické složky s jemně vyprecipitovanými karbidy chrómu. Využití semi-solid stavu je nutné pro dosažení teploty, při které dochází k rozpuštění primárních ostrohranných karbidů chrómu. Tím je lze převést do austeniticko-karbidické struktury, která je zateplatvářitelná, a plastickou deformací lze karbidické síťoví rozbít a karbidy rovnoměrně přerozdělit.

Příklad uskutečnění vynálezu 1

Ocel X2ioCn₂ je ocel s vysokým obsahem uhlíku a chrómu, viz tab. 1. Ocel X2ioCri2 byla vyvinuta pro střižné a lisovací stroje, především vysokovýkonné střižníky a velmi komplikované postupové a sdružené střižné nástroje. Je vhodná i pro nože na stříhání drátů, nože nůžek na stříhání plechů a podobně. Výchozí struktura v žíhaném stavu je tvořena velkými ostrohrannými primárními karbidy chrómu a velmi jemným cementitem uloženým ve feritické matrici. Pro vhodnou volbu parametrů zpracování je nutné zjistit teplotní interval mezi liquidem a solidem a teplotu rozpouštění karbidů chrómu.

Bylo zjištěno, že až do teploty 758 °C zůstává v materiálu stabilní feriticko-cementitická struktura. K natavení materiálu dochází při teplotě 1225 °C a úplné roztavení nastane při teplotě 1373 °C. Z křivky závislosti tvorby taveniny na teplotě lze zjistit, že při teplotě 1255 °C dojde k rozpuštění nežádoucích primárních karbidů chrómu.

c	Cr	Mn	Si	Ni	P	S
1,8	11	0,2	0,2	0,5	0,03	0,035

Tab. 1: Chemické složení materiálu X2ioCri2 (hmotn.%)

-2 CZ 2019 - 537 A3

Postup	Teplota	Doba	Teplota	Teplota	Doba	Počet tvářecích	HV10
	ohřevu	výdrže	ochlazení	dohřevu	výdrže	kroků [-]	[-]
	[°C]	[min.]	[°C]	[°C]	[min.]

1	1265	15	500	1050	5	1	520
2	1265	15	500	1100	5	1	487
3	1265	15	RT	1050	12	1	520
4	1220	15	600	1050	6	3	788
5	1220	15	1100	-	-	4	803
6	1225	60	900	1080	1,5	5	836
7	1200	15	1000	1070	2	4	848
8	1240	15	900	1080	1,5	5	864
9	1240	60	900	1080	1,5	5	855
10	1280	16	900	1080	1,5	5	866

Tab. 2: Parametry termomechanického zpracování oceli X2ioCri2

Pro dosažení optimálního rozložení vyloučených karbidů, jejich velikosti i morfologie, stejně jako velikosti austenitických zrn a podílu martenzitu je nutno optimalizovat celou řadu parametrů zpracování počínaje teplotou ohřevu do semi-solid stavu. Aby bylo možno lamelámí síťoví rozdrobit a nastartovat rekrystalizaci materiálu, bylo nutno materiál deformovat s vysokým stupněm deformace. To bylo provedeno volným kováním polotovaru na hydraulickém lisu. Vzhledem k tomu, že ohřevu materiálu probíhal až do semi-solid stavu, byl polotovar uzavřen do kontejneru z nízkouhlíkové oceli. Tím byla zjednodušena manipulace s částečně nataveným materiálem a zrovnoměměno teplotní pole. Kontejner o průměru 30 mm s tloušťkou stěny 6 mm a délkou 55 mm byl vyroben z nízkouhlíkové oceli SJ355 s teplotou tavení nad 1400 °C. Ohřev polotovarů proběhl v peci bez ochranné atmosféry. Tváření bylo prováděno na plochých kovadlech. Celkem bylo odzkoušeno několik různých postupů zpracování (tab. 2). U postupu 1 až 3 byla zvolena teplota ohřevu 1265 °C s dobou výdrže na teplotě 15 minut. Při této teplotě jsou roztaveny veškeré primární karbidy chrómu a struktura je tvořena taveninou a austenitem. Taveniny by mělo být dle výpočtu ve struktuře 30 %. Variantně bylo odzkoušeno zachlazení vzorku do vody na teplotu 500 °C (postup 1 a 2), resp. na RT (postup 3) s následným ohřevem na teplotu tváření 1050, resp. 1100 °C, s prodlevou 5 minut. Polotovary byly pěchovány v jedné operaci na polovinu výšky.

V dalším postupu bylo provedeno snížení tepoty ohřevu na 1220 °C. Tato teplota je těsně pod vypočtenou teplotou solidu. Při této teplotě zůstává ve struktuře dle výpočtu zachováno 8 % karbidů M7C3. Zakalení bylo u postupu 4 provedeno na teplotu 600 °C s následným ohřevem v peci na teplotu tváření 1050 °C. Polotovar byl nejprve pěchován na polovinu výšky, následně bylo provedeno prodloužení na 50 mm a opětovné pěchování až na výšku 20 mm. U další varianty (postup 5) se stejnou teplotou ohřevu bylo provedeno ochlazení pouze na teplotu 1100 °C a poté bylo provedeno tváření: pěchování - prodloužení - pěchování - prodloužení. Tváření, vedoucí k redistribuci nežádoucích ostrohranných karbidů vedoucí k jejich rovnoměrnému rozptýlenými v austenitické matrici, bylo ukončeno při teplotě pod 800 °C. Pro ověření vlivu doby výdrže na teplotě byla u postupu 6 prodloužena doba výdrže na teplotě na 60 minut. Cílem bylo zjistit, zda dojde k hrubnutí austenitických zrn a zda hrubší zrno ovlivní morfologii rekrystalizovaných zrn po tváření a jestli dojde k rozpuštění většího podílu primárních karbidů chrómu. V další variantě (postup 7) byla teplota ohřevu ještě snížena, a to až na teplotu 1200 °C. Při této teplotě by se ve struktuře neměla vyskytovat žádná tavenina a tím bylo možno porovnat vliv natavených podílů na vývoj struktury'. Struktura po ohřevu byla tvořena směsí austenitu a 9 % karbidů. Teplota ohřevu byla 1240 °C s dobou výdrže 15 min. a 60 min. Tato teplota se blíží hranici kompletního rozpuštění primárních karbidů chrómu. Ve struktuře jich stále zůstává přibližně 7 %. Ochlazování bylo provedeno na teplotu 900 °C a z této teploty následoval ohřev na teplotu tváření 1080 °C. Aby mohl být popsán vliv vyššího podílu taveniny na vývoj struktury, byla v postupu 10 použita

-3 CZ 2019 - 537 A3 nejvyšší teplota ohřevu až na 1280 °C. Zde se předpokládalo vedle úplného rozpuštění karbidů i natavení austenitu.

Příklad uskutečnění vynálezu 2

Ocel XissCrVMom je chrom-molybden-vanadovou ledeburitickou nástrojovou ocelí pro práci za studená (tab. 3). Je vhodná ke kalení v oleji a na vzduchu s velkou prokalitelností, která je lepší než u oceli X2ioCri2. Vykazuje vysokou odolnost proti opotřebení a tlakovému namáhání. Používá se pro velmi namáhané střižné nástroje do tlouštěk asi 10 mm, na nástroje pro ostřikování výkovků, ražení, tažení a protlačování. Dále je využívána i pro nástroje pro tváření za tepla s velkými požadavky na tvrdost a otěruvzdomost, a i pro řezné nástroje k obrábění kovů o menší pevnosti.

c	Cr	Mn	Si	Mo	V	P	S
1,5	11	0,3	0,3	0,6	0,9	0,03	0,035

Tab. 3: Chemické složení materiálu XissCrVMom (hmota.%)

Postup	Teplota ohřevu [°C]	Doba výdrže [min.]	Teplota ochlazení [°C]	Teplota dohřevu [°C]	Doba výdrže [min.]	HV10 [-]
1	1265	15	-	-	-	376
2	1300	15	-	-	-	379
3	1265	15	930	1080	1,5	359
4	1300	15	930	1080	1,5	375

Tab. 4: Parametry termomechanického zpracování oceli XissCrVMom

Polotovar byl uzavřen do kontejneru z nízkouhlíkové oceli SJ355, který má teplotu tavení nad 1400 °C. Díky tomu bylo možné manipulovat s nataveným materiálem mezi jednotlivými pecemi. Byly provedeny čtyři různé postupy zpracování, viz. tab. 4. Nejprve byly odzkoušeny dvě různé teploty ohřevu 1265 °C a 1300 °C s dobou výdrže v peci 15 minut. Přičemž při teplotě 1265 °C se v materiálu vyskytuje přibližně 20 % tekuté fáze a při teplotě 1300 °C přibližně 31 % tekuté fáze. Po ukončení výdrže bylo provedeno zakalení do vody až na pokojovou teplotu RT. U postupu 3 bylo po ohřevu na teplotu 1265 °C provedeno zakalení do vody po dobu 2 s. Pyrometrem bylo zjištěno, že se teplota vzorku pohybovala v rozmezí 930 až 950 °C. Poté byl proveden dohřev na teplotu 1080 °C s výdrží 1,5 minuty. Při této teplotě se dostává materiál opět do oblasti austenitu. Po výdrži 1,5 minuty na vzduchu byl vzorek kalen do vody. Tato výdrž představuje prodlevu, při které se v následujících režimech bude provádět kování na hydraulickém lisu vedoucí k redistribuci nežádoucích ostrohranných karbidů k jejich rovnoměrnému rozptýlenými v austenitické matrici.

Průmyslová využitelnost

Vynález lze uplatnit v oblasti metalurgických procesů, při výrobě dílů zejména pro strojírenský průmysl.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob termomechanického zpracování polotovaru z vysoce legovaných ocelí, kdy 5 vysocelegovaný ocelový polotovar obsahující chromové karbidy je ohřát až na teplotu alespoň

1200 °C, na které je udržován po dobu alespoň 15 minut, poté je polotovar ochlazen na teplotu od 20 °C do 1100 °C a následně ohřát na teplotu tváření, při které dochází k redistribuci karbidů, vyznačující se tím, že tváření probíhá při teplotě v rozmezí od 1050 °C do 1100 °C, přičemž na této teplotě je polotovar udržován alespoň 1,5 minuty, kdy výsledná strukturu je tvořená karbidy ίο rovnoměrně rozptýlenými v austenitické matrici, a následuje vychlazení na teplotu okolí.