CZ295758B6

CZ295758B6 - Ocelový výrobek ze za tepla zpracované, plně hutné, opotřebení odolávající vanadové nástrojové oceli pro práci za studena, s vysokou vrubovou houževnatostí, vyrobený práškovou metalurgií z dusíkem atomizovaných předem legovaných prášků

Info

Publication number: CZ295758B6
Application number: CZ1998958A
Authority: CZ
Inventors: Kenneth E. Pinnow; William Stasko
Original assignee: Crucible Materials Corporation
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2005-10-12
Also published as: KR100373169B1; JP4162289B2; US5830287A; BR9803298A; CZ95898A3; SK45698A3; AR012350A1; DE69818138D1; SK284795B6; HU220558B1; KR19980081249A; HUP9800590A3; CA2231133A1; US5989490A; PL186709B1; DE69818138T2; CA2231133C; EP0875588A2; TW363000B; ATE250150T1

Abstract

Ocelový výrobek ze za tepla zpracované, plně hutné, opotřebení odolávající vanadové nástrojové oceli pro práci za studena, s vysokou vrubovou houževnatostí, vyrobený práškovou metalurgií z dusíkem atomizovaných předem legovaných prášků, které obsahují hmotnostně 0,60 až 0,95 % uhlíku, 0,10 až 2,0 % manganu, až do 0,10 % fosforu, až do 0,15 % síry, až do 2 % křemíku, 6,00 až 9,00 % chromu, až do 3 % molybdenu, až do 1,0 % wolframu, 2,00 až 3,30 vanadu V, maximálně do 0,15 % dusíku a jako zbytek železo a nečistoty z výroby, přičemž obsah uhlíku nepřesahuje % C.sub.max.n. = 0,60 + 0,177 (% V - 1,0). Výrobek lze kalit a popouštět na tvrdost alespoň 58 HRc, vykazuje disperzi v podstatě všech karbidů typu MC objemově 4 až 8 %, nejdelší rozměr karbidů typu MC nepřesahuje 6 .mi.m a vrubová houževnatost výrobku přesahuje 6,9 N.m.

Description

Ocelový výrobek ze za tepla zpracované, plně hutné, opotřebení odolávající vanadové nástrojové oceli pro práci za studená, s vysokou vrubovou houževnatostí, vyrobený práškovou metalurgií z dusíkem atomizovaných předem legovaných prášků

Oblast techniky

Vynález se týká výrobků z nástrojové oceli odolné proti oděru, vyrobené práškovou metalurgií, k tváření zastudena, vyrobených lisováním předběžně legovaných práškových částic atomizovaných v prostředí dusíku. Charakteristickou vlastností nástrojů je vysoká rázová houževnatost, která je kombinována s dobrou odolností vůči opotřebení, která je činí obzvláště vhodnými pro razidla, zápustky a jiné nástroje pro zpracování kovů vyžadující tyto vlastnosti.

Dosavadní stav techniky

Výkonnost nástrojů je komplexní jev závisející na mnoha různých faktorech, jako je konstrukce a výroba nástrojů s účinným povrchovým zpracováním nebo s povlakem nebo bez něho, na skutečných pracovních podmínkách a na základních vlastnostech nástrojových materiálů. V aplikacích pro tváření zastudena jsou obecně významnějšími faktory odolnost proti opotřebení houževnatost a pevnost nástrojového materiálu ovlivňující životnost nástroje i v případech, kde je použito povlaků nebo povrchového zpracování. V mnoha aplikacích je odolnost proti opotřebení vlastností, která rozhoduje o životnosti nástroje, zatímco v jiných aplikacích se pro optimální výkonnost požaduje kombinace dobré odolnosti proti opotřebení a velmi vysoká houževnatost.

Metalurgické faktory ovlivňující odolnost proti opotřebení, houževnatost a pevnost ocelí ke tváření zastudena jsou dosti dobře známy. Například zvyšování tvrdosti tepelných zpracováním kterékoli nástrojové oceli zvyšuje odolnost proti opotřebení a pevnost v tlaku. Pro danou úroveň různou rázovou houževnatost a odolnost proti opotřebení v závislosti na složení, rozměrech a množství primárních (nerozpuštěných) karbidů v jejich mikrostruktuře. Legované nástrojové oceli s vysokým obsahem uhlíku vytvářejí v závislosti na množství chrómu, wolframu, molybdenu a vanadu, které obsahují, primární karbidy typu M₇C₃, M₆Ci a/nebo MC ve své mikrostruktuře. Karbid typu MC bohatý na vanad je nejtvrdší, a proto nejvíce odolávající opotřebení ze všech primárních karbidů nacházejících se obvykle ve vysoce legovaných nástrojových ocelích, za nimi v klesajícím pořadí tvrdosti nebo odolnosti proti opotřebení následují karbidy bohaté na wolfram a molybden (M₆C-typ) a karbidy bohaté na chrom (M₇C₃-typ). Z toho důvodu se legování vanadem k vytváření karbidů typu MC pro zvýšení odolnosti proti opotřebení používá jak v obvyklých nástrojových ocelích (litých do ingotů), tak vyrobených práškovou metalurgií po řadu let.

Houževnatost nástrojových ocelí závisí ve velké míře na tvrdosti a složení základní hmoty stejně jako na množství, rozměrech a rozdělení primárních karbidů v mikrostruktuře. V tomto ohleduje rázová houževnatost běžných (ingotových) nástrojových ocelí obecně nižší než rázová houževnatost ocelí vyrobených práškovou metalurgií (PM) podobného složení, vzhledem k velkým primárním karbidům a silně segregovaným mikrostrukturám, které často oceli lité do ingotů obsahují. V důsledku toho byla vyrobena řada vysoce výkonných nástrojových ocelí pro práci za studená způsobem práškové metalurgie včetně ocelí PM 8Cr4V podle amerického patentu US 4 863 515, ocelí PM 5Crl0V podle amerického patentu US 4 249 995 a ocelí PM 5Crl5V podle amerického patentu US 5 344 477. Avšak přes velká zlepšení odolnosti vůči opotřebení nebo houževnatosti nebo obou těchto vlastností poskytovaných těmito PM ocelemi, neposkytuje žádná z nich kombinaci velmi vysoké houževnatosti a dobré odolnosti proti opotřebení potřebných v mnoha aplikacích pro řezání, úpravy polotovarů pro další zpracování a probíjení.

V pracech, zaměřených na zlepšení houževnatosti ocelí pro práci zastudena, bylo v souvislosti s vynálezem objeveno, že lze dosáhnout významného zlepšení rázové houževnatosti v ocelích

-1 CZ 295758 B6 odolných vůči opotřebení pro práci za studená obsahujících vanad, vyrobených práškovou metalurgií, omezením množství primárních karbidů obsažených v mikrostruktuře a zpracováním takových ocelí a řízením jejich složení a zpracování tak, že takové vanadem bohaté karbidy typu MC jsou v podstatě pouze primární karbidy zbývající v mikrostruktuře po zakalení a popuštění. Pozoruhodné zlepšení houževnatosti dosažené u nástrojů podle vynálezu je založeno na poznatku, že houževnatost ocelí k tváření zastudena vyrobených práškovou metalurgií při dané tvrdosti klesá se zvyšováním celkového množství primárních karbidů, v podstatě nezávisle na typu karbidu, a že řízením složení a zpracování tak, aby v podstatě všechny přítomné primární karbidy byly MC-karbidy bohaté na vanad, může být množství primárních karbidů potřebné k dosažení dané úrovně odolnosti proti opotřebení minimalizováno. Zjistilo se také, že v porovnání s běžnými nástrojovými ocelemi litými do ingotů, výroba nástrojů izostatickým lisováním zatepla předběžně legovaných práškových částic atomizovaných v prostředí dusíku vytváří významnou změnu složení i rozměrů a rozdělení primárních karbidů. Tímto poznatkem je dosud neznámé zlepšení zpracováním práškovou metalurgií pro nástrojové oceli k tváření zastudena a je významné v nástrojích podle vynálezu, jelikož maximalizuje tvoření primárních karbidů vanadu typu MC a do velké míry eliminuje tvoření měkčích karbidů M7C3, které jsou přídavně obsaženy ke karbidům typu MC ve větším množství v nástrojových ocelích litých do ingotů podobného složení.

Proto je primárním úkolem vynálezu poskytnout nástroje obsahující vanad, odolné vůči opotřebení, vyrobené práškovou metalurgií, pro tváření zastudena s podstatně zlepšenou rázovou houževnatostí.

Dosahuje se toho přísným řízením složení a zpracování těchto nástrojů k řízení množství, složení a rozměrů primárních karbidů v těchto materiálech a k zajištění, aby v podstatě všechny primární karbidy, zbylé v těchto nástrojích po kalení a popuštění, byly vanadem bohaté karbidy typu MC.

Podstata vynálezu

Ocelový výrobek ze za tepla zpracované, plně hutné, opotřebení odolávající vanadové nástrojové oceli pro práci za studená, s vysokou vrubovou houževnatostí, vyrobený práškovou metalurgií z dusíkem atomizovaných předem legovaných prášků, spočívá podle vynálezu v tom, že prášky obsahují hmotnostně 0,60 až 0,95 % uhlíku, 0,10 až 2,00 % manganu, až do 0,10 % fosforu, až do 0,15 % síry, až do 2,00 %, křemíku, 6,00 až 9,00 % chrómu, až do 3,00 % molybdenu, až do 1,00 % wolframu, 2,00 až 3,30 % vanadu V, maximálně do 0,15 % dusíku a jako zbytek železa a nečistoty z výroby, přičemž obsah uhlíku nepřesahuje % C_max = 0,60 + 0,177 (% V - 1,0), výrobek lze kalit a popuštět na tvrdost alespoň 58 HRc, vykazuje disperzi všech karbidů typu MC objemově 4 až 8 %, nejdelší rozměr karbidů typu MC nepřesahuje 6 mikrometrů a vrubová houževnatost výrobku přesahuje 6,9 N.m (50 ft.lb).

Je-li výrobek kalen a popuštěn na tvrdost alespoň 58 HRc, vykazuje disperzi v podstatě všech karbidů typu MC objemově 4 až 8 %, přičemž nejdelší rozměr karbidů typu MC nepřesahuje přibližně 6 mikrometrů.

Ocelový výrobek podle vynálezu se vyrábí atomizací roztavené slitiny nástrojové oceli v prostředí dusíku při teplotě 1540 až 1650 °C, s výhodou 1570 až 1620 °C, rychlým ochlazením výsledného prášku při teplotě okolí, prosátím prášku na průměr přibližně 1180 mikrometrů, izostatickým slisováním prášku při teplotě 1095 až 1176 °C při tlaku 89,7 až 110,4 kPa, přičemž výsledné nástroje mají po zpracování za tepla, žíhání, pak zakalení na tvrdost alespoň 58 HRc disperzi v podstatě primárních karbidů bohatých vanadem typu MC v rozsahu 4 až 8 objemových

-2CZ 295758 B6 procent, kde maximální velikost primárních karbidů nepřesahují 6 mikrometrů v jejich největším rozměru, přičemž se dosahuje alespoň 70 N.m vrubové houževnatosti s vrubem tvaru C.

Pro nástroje podle vynálezu je nezbytné, aby jejich chemické složení bylo zachováno ve výhod5 ných širokých dále uvedených mezích. V těchto mezích může být výhodné vyvažovat dále složení k zabránění tvoření ferritu a nežádoucích velkých množství zbytkového austenitu během kalení a popouštění. Dále je důležité, aby složení bylo vyváženo tak, aby v podstatě všechny primární karbidy, zbývající v mikrostruktuře nástrojů po kalení a popouštění, byly vanadem bohaté karbidy typu MC. Z toho důvodu musejí být vyvážena maximální množství uhlíku obsaío hem vanadu v nástrojích podle následujícího vzorce:

(%C)_maximum = 0,60 + 0,177 (%V - 1,0)

Prvek	Široké rozmezí (%)	Výhodné rozmezí (%)
uhlík*	0,60 až 0,95	0,70 až 0,90
mangan	0,10 až 2,00	0,20 až 1,00
fosfor	0,10 max	0,05 max
síra	0,15 max	0,03 max
křemík	2,00 max	1,50 max
chrom	6,00 až 9,00	7,00 až 8,50
molybden	3,00 max	0,50 až 1,75
wolfram	1,00 max	0,50 max
vanad	2,00 až 3,20	2,25 až 2,90
dusík	0,15 max	0,10 max
železo	ostatek	ostatek

* (%C)_maximum = 0,60 + 0,177 (%V - 1,0)

Použití uhlíku ve větších množstvích než povoleném tímto vztahem snižuje houževnatost předmětů podle vynálezu, změnou chemického složení ve velké míře a zvýšením množství primárních karbidů zbývajících v mikrostruktuře po kalení a popouštěním. Dostatek uhlíku však 20 musí být zachován ke sloučení s vanadem k vytvoření tvrdých karbidů odolávajících opotřebení a také ke zvýšení tvrdosti základní hmoty nástrojové oceli na úroveň potřebnou k zabránění nadměrné deformaci a opotřebení v použití. Legující vliv dusíku v předmětech podle vynálezu je poněkud podobný vlivu uhlíku. Dusík zvyšuje tvrdost martensitu a může vytvářet tvrdé nitridy a karbonitridy s uhlíkem, s chromém, s molybdenem a s vanadem, které mohou zlepšovat odol25 nost proti opotřebení. Dusík však není k tomuto účelu tak účinný jako uhlík v ocelích bohatých na vanad, jelikož tvrdost nitridu vanadu nebo karbonitridu je významně nižší než tvrdost karbidu vanadu. Z toho důvodu je nejlépe dusík v předmětech podle vynálezu omezit pod 0,15 % nebo na zbytková množství zavedená během tavení a atomizaci prášků v prostředí dusíku, z nichž se nástroje podle vynálezu vyrábějí.

Je také nezbytné podle vynálezu řídit množství chrómu, molybdenu a vanadu v uvedeném rozmezí k získání žádané kombinace vysoké pevnosti a odolnosti proti opotřebení, spolu s přiměřenou kalitelností, tepelnou odolností, obrobitelností a brusitelností.

Vanad je velmi důležitý pro zvyšování odolnosti proti opotřebení vytvářením vanadem bohatých karbidů nebo karbonitridů typu MC. Menší množství vanadu pod vyznačené minimum nezajišťuje dostatečně vytváření karbidů, zatímco větší množství než vyznačené maximum vytváří nadměrné množství karbidů, které mohou snižovat pevnost pod žádanou úroveň. V kombinaci s molybdenem je vanad také potřebný ke zlepšování tepelné odolnosti nástrojů podle vynálezu.

Mangan je obsažen ke zlepšení kalitelností a je užitelný pro ovládání nežádoucích vlivů síry nebo obrobitelností za tepla vytvářením manganem bohatých sulfidů. Nadměrná množství manganu mohou však vytvářet nežádoucí velká množství zbytkového austenitu během tepelného zpraco-3CZ 295758 B6 vání a zvyšovat obtížnost popouštění předmětů podle vynálezu k nižší tvrdosti potřebné k dobré obrobitelnosti.

Křemík je vhodný ke zlepšování vlastností tepelného zpracování předmětů podle vynálezu. Nadměrná množství křemíku však snižují houževnatost a nežádoucí zvyšování obsahu uhlíku nebo dusíku potřebných k vytváření ferritu v mikrostruktuře předmětů vyrobených práškovou metalurgií podle vynálezu.

Chrom je velmi důležitý pro zvyšování kalitelnosti a tepelné odolnosti předmětů podle vynálezu. Nadměrná množství chrómu však podporují vytváření ferritu při tepelném zpracování a podporují vytváření primárních karbidů M₇C₃ bohatých chromém, které jsou škodlivé pro kombinaci dobré odolnosti proti opotřebení a houževnatosti požadované pro předměty podle vynálezu.

Molybden podobně jako chrom je velmi užitečný pro zvyšování kalitelnosti a tepelné odolnosti předmětů podle vynálezu. Nadměrné množství molybdenu snižuje obrobitelnost za tepla a zvyšuje objemový podíl primárních karbidů na nepřijatelnou úroveň. Jak je dobře známo, může být wolfram nahražen dávkou molybdenu v poměru 2:1, například v množství do přibližně 1 %.

Síra je užitečná v množství od 0,15 % pro zlepšení obrobitelnosti a brusitelnosti vytvářením sulfidu manganu. V aplikacích, kde je rozhodující houževnatost, je výhodné udržovat její množství na maximum 0,03 %.

Slitiny použitelné k vytváření v prostředí dusíku atomizovaných, vanadem bohatých, předběžně legovaných prášků podle vynálezu mohou být taveny různými způsoby, nej výhodněji však se taví technikou indukčního tavení ve vzduchu nebo ve vakuu. Teploty, použité k tavení a atomizaci slitiny, a teploty, použité k izostatíckému lisování prášků, musejí být přísně sledovány k získání malých velikostí karbidů potřebných k dosažení vysoké houževnatosti a brusitelnosti potřebné pro nástroje podle vynálezu.

Vynález blíže objasňují následující příklady praktického provedení a připojené obrázky.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je mikrosnímek ze světelného mikroskopu znázorňující rozložení a velikost primárních, vanadem bohatým karbidů typu MC v kaleném a popuštěném výrobku z nástrojové oceli bohaté vanadem vyrobeného práškovou metalurgií podle vynálezu, obsahujícího 2,82 % vanadu (tyč 9080).

Zvětšení 1000 x.

Na obr. 2 mikrosnímek ze světelného mikroskopu znázorňující rozložení a velikost primárních, vanadem bohatých karbidů typu MC a chromém bohatých karbidů typu M₇C₃ v běžné nástrojové oceli vyrobené odléváním ingotu (85CrVMo) mající podobné složení jako tyč 90-80.

Zvětšení 1000 x.

Na obr. 3 je graf znázorňující účinek obsahu primárních karbidů na rázovou houževnatost kalených a popuštěných nástrojových ocelí k tváření zastudena vyrobených práškovou metalurgií při tvrdosti 60-62 HRc (test v podélném směru). Na ose x je obsah karbidů v objemových procentech na ose y vrubová houževnatost Charpy C v Nm.

Na obr. 4 je graf znázorňující účinek množství primárních karbidů bohatých vanadem typu MC na odolnost proti opotřebení kov na kov kalených a popuštěných vanadem bohatých ocelí k tváření zastudena, vyrobených práškovou metalurgií při tvrdosti 60-62 HRc. Na ose x je obsah

-4CZ 295758 B6 karbidů v objemových procentech na ose y odolnost proti opotřebení kov na kov v kPa. Symbol x platí pro objemové množství karbidu typu MC a O pro objemové množství celkového primárního karbidu.

Příklady provedení vynálezu

K předvedení principu vynálezu se laboratorně připravila řada pokusných slitin pro práškovou metalurgii atomizací indukčně taveného materiálu v přítomnosti dusíku. Chemické složení 10 vyjádřené hmotnostními procenty a teploty atomizace pro tyto slitiny jsou uvedeny v tabulce I.

Bylo také získáno několik obchodně dostupných slitin odolných vůči opotřebení litých do ingotu a slitin vyrobených práškovou metalurgií pro porovnání. Chemické složení těchto obchodně dostupných slitin je rovněž uvedeno v tabulce I.

Tabulka I Složení pokusných materiálů

Materiál	Tyč č.		c	Mn	P	S	Si	Cr	V	V	Mo	N	0
Pokusné nástrojové oceli MC k tváření zastudena
PM 3⁺⁺⁺	96-280	-	0,84	0,34	0,009	0,016	0,90	7,49	2,61	-	1,37	0,043	0.016
PM 3V⁺⁺⁺	96-287	-	0.84	0.40	0,010	0,016	0,93	7,53	2,61	-	1,39	0.048	0,012
PM 3V⁺⁺⁺	90-80	1600	0.81	0,36	0,010	0.003	0,91	7,40	2,82	. -	0,96	0,045	0,0065
PMllOCrVMo	91-65	1570	1,14	0,47	0,012	0,005	1,10	7.39	2,53	1,1	1,56	0,045	0,0075
Konerční nástrojové oceli MC k tváření zastudena
PM 8Cr4V	89-19	-	1,47	0,36	0,020	0.027	0,96 8,02	4,48	-	1,50	0,10	0,007
PM M4	92-73	=	1,43	0,70	0,021	0,24	0.56	3,82	3,92	5,31	5,10	0,034	0,014
PM 12Cr4V	90-136	-	2,28	0,30	0,019	0,018	0,36	12,50	4,60	0,17	1,10	0,067	-
PM 10V	95-154	s	2,45	0,52	0,018	0,058	0,90	5,22	9,57	0,0j	1,27	0,05	0,016
PM 15V	89-169	-	3,55	1,11	-	0,013	0,69	4,64	15,21	-	1,29	0,04	-
PM 18V	89-182	-	3,98	0,60	-	0,013	1,32	4,85	17,32	-	1,36	0,044	-
Komerční do ingotu líté nástrojvé oceli pro tváření zastudena
A-2 ⁺⁺	=	-	1,00	0,70	-	-	0,30	5,25	0,30	-	1,15	-	-
02 ⁺⁺	-	-	1,55	0,35	-	-	0,45	11,50	0,90	-	0.80	-	-
85CTVMO	85-65	-	0,82	0,38	0,02	0,004	1,08	7,53	2.63	0,12	1,55	0,026	0,003
llOCrVMo	85-66	-	1.12	0,30	0.02	0,004	1,05	7,48	2,69	1,14	1,69	0,040	0,002
D-7	75-36	-	2.35	0,34	0,02	0,005	0,32	12,75	4,43	0,26	1,18	0,037	0,0034
♦ laboratorně připravený naterál ++ jmenovité chenické složení +++ oceli podle vynálezu ++++ teplota atomizace

Laboratorní slitiny v tabulce I byly zpracovány takto:

(1) prosátím předem legovaných prášků na velikost 1180 mikrometrů, (2) naplněním přesátého prášku do kontejnerů z měkké oceli o průměru 127 mm a výšce 152,4 mm, (3) odplyněním kontejnerů ve vakuu při teplotě 260 °C, (4) utěsněním kontejnerů, (5) ohřevem kontejnerů na teplotu 1130 °C po dobu 4 hodin ve vysokotlakovém autoklávu provozovaném při tlaku přibližně 34,5 kPa a (6) pomalým ochlazením na teplotu místnosti.

Všechny výlisky se překonaly na tyče při teplotě opětného ohřevu na 1124°C. Redukce kovových tyčí za tepla činila 70 až 95 %. Zkušební vzorky se opracovaly na tyče po vyžíhání při obvyklém žíhacím cyklu pro nástrojové oceli, který představoval ohřev na teplotu 900 °C po dobu 2 hodin s pomalým ochlazením na teplotu 650 °C rychlostí nepřesahující 12 °C za hodinu a pak vychladnutím na vzduchu na teplotu místnosti.

Bylo provedeno několik zkoušek a testů k předvedení výhody výrobků z PM nástrojové oceli podle vynálezu a závažnosti jejich složení a způsobů jejich výroby. Typicky byly provedeny testy a zkoumání k vyhodnocení jejich (1) mikrostruktury, (2) tvrdosti v tepelně zpracovaném stavu, (3) rázové houževnatosti na tyčích Charpy s vrubem tvaru C, (4) odolnosti proti opotřebení testem kov na kov ve zkřížených válcích. Většina materiálů pro testy houževnatosti a odolnosti proti opotřebení byla kalena a popuštěna se záměrem dosažení tvrdosti 60 až 62 HRc. To bylo provedeno k vyloučení tvrdosti jako zkušební proměnné a k vyjádření tvrdosti typické pro mnoho aplikací nástrojů k tváření zastudena.

Mikrostruktura

Jak je shora uvedeno, závisejí odolnost proti opotřebení a rázová houževnatost výrobků z nástrojové oceli vyrobené práškovou metalurgií podle vynálezu, jakož i jiných výrobků z nástrojové oceli výrazně na množství, typu, velikosti a rozdělení primárních karbidů v jejich mikrostruktuře. Z tohoto hlediska existují významné rozdíly mezi vlastnostmi primárních karbidů v PM výrobcích podle vynálezu a ostatních výrobků vyrobených práškovou metalurgií nebo obvyklých nástrojů k tváření zastudena vyrobených z oceli lité do ingotů.

Některé významné rozdíly mezi primárními karbidy obsaženými v kaleném a popuštěném PM výrobku podle vynálezu (tyč 90-80) a primárními karbidy v kaleném a popuštěném výrobku z obvyklé nástrojové oceli lité do ingotu podobného složení (tyč 85-65) jsou patrny z mikrosnímků na obr. 1 a 2. Ke zdůraznění rozdílů mezi primárními karbidy na těchto mikrosnímcích bylo provedeno speciální naleptání ke zviditelnění bílých částic na tmavém podkladě. Na obr. 1 je patrno, že primární karbidy v tyči 90-80 mají velikost převážně pod 6 mikrometrů a v podstatě všechny pod 4 mikrometry a jsou rovnoměrně rozděleny v základní hmotě. Výsledkem disperzní rentgenové analýzy primárních karbidů v tomto výrobku zPM nástrojové oceli je, že jsou v podstatě všechny vanadem bohaté karbidy typu MC, jak udává vynález. Na obr. 2 je nepravidelná velikost a rozdělení primárních karbidů v tyči 85-65. Výsledkem disperzní rentgenové analýzy primárních karbidů v této oceli je, že tato ocel vykazuje mnoho, avšak ne všechny velmi velké hranaté chromém bohaté karbidy typu M₇C₃, zatímco značně menší, lépe rozdělené primární karbidy jsou vanadem bohaté karbidy typu MC podobné jako jsou obsažené v tyči 9080. Tyto poznatky podporují nález, že způsoby práškové metalurgie použité u těchto výrobků

-6CZ 295758 B6 způsobují významné rozdíly v typu a složení, stejně jako velikosti a rozdělení primárních karbidů.

Tabulka II

Vztah mezi množstvím a typem primárních karbidů a vlastnostmi pokusných a komerčních nástrojových ocelí k tváření zastudena

Materiál Tyč č. Tepelní zpracování

Tvrdost Objel prii, karbidO HAS kalení popuštěni HRc C/iin C hodiny

IÍC K7C3 H&C Celke*

Pokusné nástrojové oceli FH k tváření zastudena
PII 37	96-280	1120/30 AC 530/2*2+2	58	-	•	12,32
PM 37	96-267	1120/30 AC 530/222	58		-	10,92
PM 37	90-80	1120/30 AC530/222	60	5,1 - - 5,1	414,0	7,56
PNllOCrVMo	91-65	1060/45 AC540/222	62	3,4 5,9 · 9,3	424,0	6,16

Kolerční nástrojové oceli PN k tváření zastudena

PM 8Cr4V	89-19	1020/30 AC 530/2*2	60	6,6	5,7	12,3	75,9	3,78
PM M4	92-73	1170/4 0Q 570/222	62	3,8	•	8,8 12,6	213,9	4,06
PM12Cr47	90-136	1120/30 0Q 255/2*2	55	3,0	20,0	- 23,0	55,2	2,80
PM107	95-154	1120/30 OQ 550/2*2	61	17,4	-	17,4	441,6	2,24
PM15V	89-169	1170/30 0Q 550/222	62	22,7	-	- 22,7	531,3	1,12
PM18V	89-182	1120/30 0Q 550/2*2	62	30,5	-	- 30,5	628,0	0,56

Koierční nástrojové oceli k tvářeni zastudena lité do ingotů

A-2	neuvedeno	60	6	6·	13,8	5,60
0-2	-	neuvedeno	60	- 15,5 -	15,5*	20,7	2,24
85Cr7Mo	85-65	1065/45 AC 525/222	60	2,8 1,7 ·	4,5	34,5	4,90
HOCrVNo	85-66	1065/45 AC 540/222	62		•	34,5	3,29
0-7	•	neuvedeno	61		24****	48,3	0,98

A opotřebení kov na kov, 10*° KPa

B vrubová houževnatost Nm + podélný směr testu ++ malá množství primárních karbidů [<0,5%] byla zjištěna rentgenovou difrakcí karbidů extrahovaných z té oceli způsobem chemického rozpouštění +++ B.Hriberník, BHM 134 str. 338-341 (1989) ++++ K. Budinski (Vear o£ Materials) ASME. str. 100-109 (1977)

V tabulce II jsou shrnuty výsledky z řádkovacího elektronového mikroskopu (SEM) a zkoumání analyzátorem obrazu získané na několika PM nástrojových ocelí a na jedné z ocelí litých do ingotu (85CrMoV) uvedené v tabulce I. Jak patrno, je celkové objemové procento primárních karbidů měřené u těchto ocelí od přibližně 5% vPM 3V (tyč 90-80) až 30% vPM 18V (tyč 89-192). Typ obsažených primárních karbidů (MC, M₇C₃ a M₆C) kolísá podle zpracování a vyvážení složení, přičemž pouze PM3V (tyč 90-80), PM10V (tyč 95—154), PM15V (tyč 89-169), PM18V (tyč 89-182) mají v podstatě všechny karbidy typu MC.

Významné rozdíly tvořené poměrně malými rozdíly v obsahu uhlíku nebo obsahu uhlíku a legury na množství a typ primárních karbidů v ocelích vyrobených práškovou metalurgií, jsou patrny z porovnání výsledků pro PM3V (tyč 90-80), která obsahuje přibližně 5,1 objemových procent karbidu typu MC a jejíž složení spadá do rozsahu patentových nároků. MC llOCrMoV (tyč 91-65), která obsahuje přibližně 3,4 objemových procent karbidu typu MC a 5,9 objemových procent karbidu typu M₇C₃, a která obsahuje přibližně jedno procento wolframu a mírně více uhlíku než tyč 90-80 a PM 8Cr4V (tyč 69-19), která obsahuje přibližně 6,6 objemových procent karbidu typu MC a 5,7 % karbidu typu M₇C₃, a která obsahuje značně více uhlíku a vanadu než tyč 90-80. Účinek zpracování práškovou metalurgií oproti lití do ingotů je patrný z porovnání výsledků MP3V (tyč 90-80), která obsahuje přibližně 5,1 objemových procent karbidu typu MC a 85 CeMoV (tyč 85-65), která je materiálem litých do ingotu o přibližně stejném složení jako tyč 90-80, avšak která obsahuje přibližně 2,8 objemových procent karbidu MC a 1,7 objemových procent karbidu M₇C₃.

Tvrdost

Tvrdosti je možno použít k měření nástrojové oceli vůči trvalé deformaci během služby v aplikacích tváření zastudena. Obvykle se požaduje pro nástroje v takových aplikacích tvrdost minimálně 56 až 58 HRc. Vyšší tvrdost 60 až 62 HRc poskytuje poněkud lepší pevnost a odolnost proti opotřebení s určitou ztrátou houževnatosti. Výsledky s přehledem kalení a popouštění provedené na PM 3V (tyč 96-267) jsou uvedeny v tabulce III a zřetelně ukazují, že výrobky z nástrojové oceli PM ke tváření zastudena snadno dosahují tvrdosti vyšších než 56 HRc, jsou-li kaleny a popouštěny ve velkém rozsahu podmínek.

Tabulka III

Odezva PM3V (tyč 96-267) na tepelné zpracování

Austenitizační teplota	Tvrdost po kalení do oleje	Tvrdost (HRc) po popouštění při teplotě °C po dobu 2x2 a 3x2 hodin
	510	530	540	550	570	590
1042	58,0 58	58	58	57,5	56,5 56	55 54,5	53 51,5	46,5	44
1080	62,0 61	61	60,5	60	60 59	58 57,5	55,5 54	49	47
1140	63,5 63	63	63	63	62 61,5	60,5 60,5	58,5 57	52,5	50,5

-8CZ 295758 B6

Rázová houževnatost

K vyhodnocení a porovnání rázové houževnatosti předmětů podle vynálezu byly provedeny testy vrubové houževnatosti Charpy s vrubem tvaru C při teplotě místnosti na teplotě zpracovaných zkušebních tyčích s poloměrem zaoblení vrubu 12,5 mm. Tento typ zkušební tyče usnadňuje porovnávací testování vrubové houževnatosti vysoce legovaných a tepelně zpracovaných nástrojových ocelí od kteiých se normálně očekává, že vykážou nízké hodnoty vrubové houževnatosti na tyčích s vrubem tvaru V. Výsledky získané se zkušebními tyčemi za třech různých výrobků připravených podle rozsahu vynálezu a pro několik komerčních slitin odolných vůči opotřebení jsou v tabulce II. V výsledků vyplývá, že rázová houževnatost výrobku podle vynálezu je zřetelně nadřazena oproti všem ostatním běžným nástrojovým ocelím k tváření zastudena litým do ingotu a PM, které byly testovány pro porovnání.

Významný význak vynálezu je znázorněn na obr. 3, který ukazuje výsledky vrubové houževnatosti Charby s vrubem C v závislosti na celkovém objemu karbidů PM nástrojových ocelí tepelně zpracovaných na tvrdost 60-62 HRc a výsledky testů získaných pro několik obvykle vyráběných nástrojových ocelí při přibližně stejných tvrdostech. Z výsledků vyplývá, že houževnatost PM nástrojových ocelí klesá s rostoucím celkovým objemem karbidů v podstatě nezávisle na typu karbidu.

Z tohoto hlediska má materiál PM 3 V (tyč 90-80), který je v rozsahu vynálezu, v podstatě pouze primární karbidy typu MC bohaté na vanad v rozmezí 4 až 8 objemových procent. Odolnost tohoto materiálu proti opotřebení podle vynálezu je stejná jako u PM llOCvVMo (tyč 91-65), která je mimo rozsah vynálezu a která má významně větší objem primárních karbidů. To dokládá, že slitina podle vynálezu je schopná dosáhnout stejnou odolnost proti opotřebení oproti slitině, která je mimo rozsah vynálezu mající téměř dvojnásobný objem primárních karbidů. Kromě toho vykazuje slitina podle vynálezu neočekávaně dramaticky zlepšenou rázovou houževnatost oproti slitině PM 110 CvVMo. Zvláště má slitina podle vynálezu rázovou houževnatost Charpy s vrubem tvaru C 7,56 Nm ve srovnání se 6,16 Nm slitiny nespadající do rozsahu vynálezu. Tyto údaje zřetelně dokazují, že podle vynálezu je možno dosáhnout kombinace odolnosti proti opotřebení a rázové houževnatosti dosud nedosažitelné. Ve slitinách PM 10V, PM 15V a PM 18V, které obsahují podobně jako slitina podle vynálezu pouze karbidy typu MC, avšak s úrovní obsahu podstatně vyšší než slitina podle vynálezu, je rázová houževnatost drasticky snížená oproti dosahování podle vynálezu. K dosažení výsledků podle vynálezu musejí primární karbidy být tudíž nejenom karbidy typu MC, ale jejich objem musí být v mezích podle vynálezu, tedy 4 až 8 objemových procent.

Odolnost proti opotřebení kov na kov

Odolnost proti opotřebení kov na kov pokusných materiálů se měřila použitím nemazaného testu opotřebení zkrácených válců podobného jako je popsán v ASTM G83. Při tomto testu je přitlačován karbidový válec za otáčení proti kolmo orientovanému a stacionárnímu testovanému vzorku při specifikovaném zatížení. Objemová ztráta vzorku, kteiý se dříve opotřebí, se stanoví v pravidelných intervalech a použije se jí k výpočtu parametru odolnosti proti opotřebení založeném na zatížení a celkové kluzné vzdálenosti. Výsledky těchto testů obsahuje tabulka II.

Na obr. 4 jsou výsledky testu opotřebení kovu na kov pro PM a obvykle vyráběné nástrojové oceli k tváření zastudena jejichž seznam je v tabulce I, vynesené v závislosti na celkovém obsahu primárních karbidů a množství karbidu typu MC, které obsahují. Odolnost proti opotřebení měřená tímto testem drasticky vzrůstá s růstem objemového procenta primárního karbidu typu MC (bohatého vanadem), což je v dobrém souladu s aktuálními provozními zkušenostmi při operacích tváření kovů. Ačkoli jsou výrobky PM podle vynálezu, představované slitinou PM3V (tyč 90-80) s 2,82 % vanadu, poněkud méně odolné proti opotřebení než PM materiály obsahující 4 % nebo více vanadu, jsou přesto odolnější proti opotřebení než A-2 nebo D-2, které obsahují méně než 1 % vanadu. Při 4% množství vanadu je výkonnost PM M4 významně lepší

-9CZ 295758 B6 než PM 8Cr4V a PM 12Cr4V při tomto testu, přestože má celkový objem karbidu porovnatelný s PM 8Cr4V a přibližně poloviční než PM 12Cr4V. Poměrně dobrá odolnost proti opotřebení PM M4 se přičítá předně kombinaci přibližně 4 % karbidu typu MC a 9 % karbidu typu M₆C (bohatého na wolfram a molybden), který je tvrdší než karbid typu M7C3 (bohatý chromém) obsažený v ostatních dvou materiálech se 4 % vanadu. Ačkoli konvenčně vyráběné D-2 a D-7 také obsahují poměrně vysoké celkové objemy karbidu, vedou poměrně nízké objemy karbidu typu MC těchto materiálů konzistentně k významně nižším číslům odolnosti proti opotřebení ve srovnání s PM 3V a s materiály s daleko vyšším vanadem PM10V, PM15V a PM18V s podobnými objemy karbidů.

V souhrnu ukazují výsledky testů houževnatosti a opotřebení, že je možno dosáhnout pozoruhodného zlepšení rázové houževnatosti výrobků z nástrojové oceli odolávajících opotřebení pro tváření za studená obsahujících vanad a vyrobené práškovou metalurgií omezováním množství primárních karbidů obsažených v jejich mikrostruktuře a řízením jejich složení a zpracování takovým způsobem, že vanadem bohatými karbidy typu MC jsou v podstatě pouze primární karbidy zbylé v mikrostruktuře po kalení a popouštění. Kombinace dobrého kovu v odolnosti kovu proti opotřebení při vysoké houževnatosti poskytované výrobky PM podle vynálezu zřetelně předčí vlastnosti mnoha běžně používaných nástrojových ocelí pro tváření zastudena, odlévaných do ingotů jako jsou AISI A-2 a D-2. Vysoká houževnatost výrobků PM podle vynálezu převyšuje zřetelně houževnatost mnoha existujících PM nástrojových ocelí k tváření zastudena, jako je PM 8Cr4V, která poskytuje mírně lepší odolnost proti opotřebení kov na kov, avšak nedostatek postačující houževnatosti k použití v mnoha aplikacích. V důsledku tohoto jsou vlastnosti výrobků PM podle vynálezu obzvláště užitečné v řezacích nástrojích (jako jsou razidla a zápustky), z průstřižnících, v čelistech nůžek ke střihání lehkých kalibrovacích materiálů a v ostatních aplikacích tváření zastudena, kde je požadovaná velmi vysoká houževnatost nástrojových materiálů k dobré výkonnosti nástroje.

Zde používaný výraz karbid typu MC znamená vanadem bohaté karbidy charakterizované kubickou krystalovou strukturou, kde „M“ znamená karbid tvořící prvek vanad a malé množství ostatních prvků, jako je molybden, chrom a železo, které mhou být obsaženy v karbidu. Výraz zahrnuje také karbid M7C3 bohatý vanadem a varianty známé pod označením karbonitridy, kde je část uhlíku nahražena dusíkem.

Zde používaný výraz karbid typu M7C3 se týká chromém bohatých karbidů charakterizovaných šesterečnou krystalickou strukturou, kde „M“ znamená karbidotvomý prvek a menší množství ostatních prvků, jako je vanad, molybden a železo, které mohou být také obsaženy v karbidu. Výraz zahrnuje také varianty známé pod označením karbonitridy, kde je část uhlíku nahražena dusíkem.

Zde používaný výraz karbid typu M₆C znamená karbid bohatý wolframem a molybdenem mající planicentrickou kubickou mřížku. Tento karbid může obsahovat také mírná množství chrómu, vanadu a kobaltu.

Zde používaný výraz „v podstatě všechny“ znamená, že může být obsažen malý objemový podíl (< 1,0 %) primárních karbidů jiného typu než MC bohatý vanadem bez škodlivého ovlivnění výhodné vlastnosti výrobků podle vynálezu, jmenovitě houževnatosti a odolnosti proti opotřebení.

Pokud není uvedeno jinak, jsou procenta míněna vždy hmotnostně.

Průmyslová využitelnost

Materiál s vysokou tvrdostí a současně s vysokou houževnatostí a s odolností proti opotřebení obzvláště vhodný na nástroje určené pro tváření zastudena.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Ocelový výrobek ze za tepla zpracované, plně hutné, opotřebení odolávající vanadové nástrojové oceli pro práci za studená, s vysokou vrubovou houževnatostí, vyrobený práškovou metalurgií z dusíkem atomizovaných předem legovaných prášků, vyznačující se tím, že prášky obsahují hmotnostně 0,60 až 0,95 % uhlíku, 0,10 až 2,00 % manganu, až do 0,10 % fosforu, až do 0,15% síry, až do 2,00% křemíku, 6,00 až 9,00 % chrómu, až do 3,00% molybdenu, až do 1,00 % wolframu, 2,00 až 3,30 % vanadu V, maximálně do 0,15 % dusíku a jako zbytek železo a nečistoty z výroby, přičemž obsah uhlíku nepřesahuje % C_max = 0,60 + 0,177 (% V - 1,0), výrobek lze kalit a popuštět na tvrdost alespoň 58 HRc, vykazuje disperzi všech karbidů typu MC objemově 4 až 8 %, nejdelší rozměr karbidů typu MC nepřesahuje 6 mikrometrů a vrubová houževnatost výrobku přesahuje 6,9 N.m.
2. Ocelový výrobek podle nároku 1, vyznačující se tím, že prášky obsahují hmotnostně 0,70 až 0,95 % uhlíku, 0,20 až 1,00 % manganu, až do 0,05 % fosforu, až do 0,03 % síry, až do 1,50 % křemíku, 7,00 až 8,50 % chrómu, 0,50 až 1,75 % molybdenu, až do 0,5 % wolframu, 2,25 až 2,90 % vanadu, až do 0,10 % dusíku a jako zbytek železo a nečistoty z výroby, přičemž obsah uhlíku nepřesahuje % C_max= 0,60 + 0,177 (% V - 1,0).

4 výkresy

-11 CZ 295758 B6 obr. 1

Distribuce a velikost primárních karbidů, bohatých na vanad MC-typu v tepelně tvrzených předmětů z nástrojové oceli ^z® použití práškované metalurgie dle tohoto vynálezu, za obsahu 2,82$> vanadu (tyčinka 90-80) > zvětšení: lOOOx

- 12CZ 295758 B6 obr. 2

Distribuce a velikost primárních, vanadem bohatých karbidů MC-typu a karidň, bohatých na chrom, typu

MyC^ u oběžných nástrojů z nástrojové oSeli litých do ingotů se složením podobným tyčince 80-90

Zvetčení: lOOOx

-13 CZ 295758 B6

Karbidy, obsah v % (objemově)

-14CZ 295758 B6 obr. 4

•«Γ ry < s. \ Γ' Sl· N iXí ΖΓ X X Q c.

Obsak karbidu v % (objeiaovŠ)

CO CN o CA Ú) CN ΙΠ Ή tn CO tn