CZ297762B6

CZ297762B6 - Nástrojová ocel, zpusob výroby dílu z této oceli a díl z oceli nebo získaný uvedeným zpusobem

Info

Publication number: CZ297762B6
Application number: CZ20032755A
Authority: CZ
Inventors: Beguinot@Jean; Viale@Dominique
Original assignee: Usinor
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2007-03-21
Also published as: MY127296A; CN1503852A; WO2002083966A1; HUP0303947A3; SK286725B6; UA74258C2; KR20030085111A; EP1379706A1; PL197554B1; MXPA03009445A; RU2003133465A; ATE282721T1; KR100846815B1; DE60201984D1; PT1379706E; DE60201984T2; JP2004526060A; ES2231691T3; CA2444175C; ZA200307900B

Abstract

Resení se týká nástrojové oceli, jejíz slození jev procentech hmotnostních následující: 0,8 .<=. C .<=. 1, 5,0 .<=. Cr .<=. 14, 0,2 .<=. Mn .<=. 3, Ni .<=. 5, V .<=. 1, Nb .<=. 0,1, Si+Al .<=. 2, Cu .<=. 1, S .<=. 0,3, Ca .<=. 0,1, Se .<=. 0,1, Te .<=. 0,1, 1,0 .<=. Mo+W/2 .<=. 4, 0,06 .<=. Ti+Zr/2 .<=. 0,15, 0,004 .<=. N .<=. 0,02, pricemz zbytek je tvoren zelezem a necistotami vyplývajícími z výroby, pricemz 2,5.10.sup.-4.n.%.sup.2.n. .<=. (Ti+Zr/2) x N. Dále je navrzen zpusob výroby dílu z oceli uvedeného slození, pri kterém se vyrobí tekutá ocel tavením souboru prvku uvedeného slození, s výjimkou titanu a/nebo zirkonia, a poté se pridávají do taveniny oceli titan a/nebozirkonium, pricemz se zabranuje tomu, aby v kterémkoli okamziku docházelo v tavenine oceli k tvorbelokálních nadmerných koncentrací titanu a/nebo zirkonia, tekutá ocel se odlévá pro získání ingotu nebo bramy, a ingot nebo brama se podrobují tvárením plastickou deformací za tepla a poté eventuálne tepelnému zpracování, pro získání uvedeného dílu. Dále se resení týká dílu zhotovených z uvedené oceli nebo výse uvedeným zpusobem.

Description

Nástrojová ocel, způsob výroby dílů z této oceli a díl z oceli nebo získaný uvedeným způsobem

Oblast techniky

Vynález se týká složení nástrojové oceli, mající zvýšenou houževnatost vzhledem k vlastnostem podle dosavadního stavu techniky, způsobu výroby oceli tohoto složení, jakož i dílů, které je tak možné získat.

Dosavadní stav techniky

Nástrojové oceli se v široké míře používají v řadě aplikací vyžadujících relativní přesuny mezi 15 kovovými díly ve vzájemném dotyku, z nichž jeden musí co možná nejdéle zachovat svoji geometrickou celistvost. Jako příklad provedení je možno uvést obráběcí a řezné nástroje, jakož i metrologická vybavení.

Zachování geometrické celistvosti těchto dílů (dílců, součástek) vyžaduje dobrou odolnost proti 20 opotřebení, dobrou odolnost proti deformaci a proti rozlomení při statických nebo dynamických namáháních, což vyžaduje, aby použitá ocel měla zvýšenou houževnatost a tvrdost.

Kromě toho musí jakost oceli vykazovat dobrou kalitelnost, aby struktura byla co možná nejhomogennější ve velkých tloušťkách po kalení.

Tyto různé požadavky se však ukazují často jako protikladné. Je tak znám druh nástrojové oceli pro práci za studená, označené AIS1 D2 a široce rozšířené, obsahující 1,5 hmotn. % uhlíku a 12 hmotn. % chrómu s několika doplňkovými přídavky karbidotvomých vytvrzovacích prvků jako M o nebo V. Velké obsahy uhlíku nebo chrómu vedou ke značné precipitaci eutektických karbidů 30 typu M7C3, které jsou vytvářeny při vysoké teplotě na konci tuhnutí a jsou tedy hrubé a heterogenně rozložené v kovové matrici.

Jestliže přítomnost velkého objemového podílu tvrdých karbidů v oceli je příznivá pro zesílení odolnosti proti opotřebení, škodí jejich špatné rozdělení houževnatosti.

Aby se zmírnil tento problém, bylo již navrženo snižovat obsah uhlíku a chrómu v tomto typu ocelí na hodnoty přibližně 1 a 8 % s kompenzací zvýšeného obsahu molybdenu o velikosti přibližně 2,5 % (EP 0 940 374). Zmenšení obsahu uhlíku dovoluje snížit objemový podíl eutektických karbidů, což je příznivé pro houževnatost. Obohacení těchto karbidů molybdenem, které 40 zvyšuje jejich tvrdost, dovoluje potom udržovat tvrdost oceli a její odolnost proti opotřebení.

Zůstává však potřebná ještě více zjemnit rozdělení těchto karbidů pro to, aby se zvýšila houževnatost bez zhoršení charakteristických vlastností oceli z hlediska tvrdosti a odolnosti proti opotřebení.

Podstata vynálezu

Autoři konstatovali, že nové zlepšení kompromisu mezi houževnatostí a mechanickou odolností a 50 odolností proti opotřebení vyplývá neočekávaným způsobem z dostatečného obsahu dusíku, doprovázeného minimálním obsahem titanu a/nebo zirkonia, kteiý sám závisí na obsahu dusíku.

Konkrétněji bylo pozorováno zjemňování karbidů ohromu, molybdenu a wolframu a s tím spojené zvýšení houževnatosti, když je:

-jednak N > 0,004 %, s výhodou > 0,006 %,

-1 CZ 297762 B6

-jednak (Ti+Zr/2) xN >2,5.10’⁴%², přičemž obsahy Ti, Zr a N jsou vyjádřeny v procentech hmotnosti.

Tento spojený požadavek pokud jde o dusík a titan nebo zirkonium ukazuje, že aktivním faktorem je přítomnost nitridů titanu a nebo zirkonia, u nichž se předpokládá, že hrají roli zjemňování velikosti karbidů chrómu, molybdenu a wolframu. Střední velikost hrubých karbidů chrómu, molybdenu a wolframu tak přechází z typické hodnoty 10 pm podle dosavadního stavu techniky na hodnotu přibližně 4 pm podle vynálezu.

První předmět vynálezu je tak ocel, jejíž složení obsahuje, v procentech hmotnosti:

0,8 <C< 1,5

5,0<Cr< 14

0,2 < Mn < 3

Ni <5

V< 1

Nb<0,l

Si + Al < 2

Cu < 1

S < 0,3

Ca <0,1

Se <0,1

Te<0,l l,0<Mo+W/2<4

0,06 < Ti+Zr/2 < 0,15

0,004 < N < 0,02 přičemž zbytek složení tvoří železo a nečistoty vyplývající z výroby, přičemž se kromě toho rozumí, že 2,5.10'⁴%² < (Ti+Zr/2) x N.

V přednostním provedení vynálezu obsahuje složení, v procentech hmotnosti:

0,8 <C< 1,5

7,0 < Cr < 9

0,2 < Mn < 1,5

Ni < 1

0,1 <V<0,6

Nb<0,l

Si+Al < 1,2

Cu < 1

S < 0,3

Ca <0,1

Se <0,1

Te<0,l

2,4 < Mo+W/2 < 3

0,06 < Ti+Zr/2 <0,15

0,004 < N < 0,02 přičemž zbytek složení tvoří železo a nečistoty vyplývající z výroby, přičemž se dále rozumí, že 2,5.10'⁴%² < (Ti+Zr/2) x N.

Obsah titanu a/nebo zirkonia v oceli podle vynálezu musí být od 0,06 do 0,15 hmotn. %. Nad 0,15 hmotn. % má totiž precipitace nitridů titanu a/nebo zirkonia sklon ke koalescenci a ztrátě své účinnosti. Je-li naproti tomu obsah nižší než 0,06 hmotn. %, je množství přítomného titanu

-2CZ 297762 B6 a/nebo zirkonia nedostatečné pro dostatečné vytváření nitridů titanu a/nebo zirkonia pro získání požadovaného zlepšení houževnatosti a odolnosti proti opotřebení. Bude možno si povšimnout, že zirkonium může nahrazovat úplně nebo částečně titan v poměru dvou dílů zirkonia najeden díl titanu.

Obsah dusíku v oceli musí být od 0,004 do 0,02 hmotn. %, s výhodou od 0,006 do 0,02 hmotn. %. Jeho obsah se omezuje na 0,02 hmotn. %, neboť nad ním má houževnatost sklon klesat.

Obsah uhlíku v oceli podle vynálezu musí být od 0,8 do 1,5 hmotn. %, s výhodo od 0,8 do 1,2 hmotn. %. Uhlík musí být přítomný v množství dostatečném pro vytvoření karbidů a dosažení úrovně tvrdosti, která se má u oceli dosáhnout.

V jiném výhodném provedení je obsah uhlíku v oceli podle vynálezu od 0,9 hmot. % do 1,5 hmotn. % za účelem zajištění zlepšení tvrdosti, při nezměněném tepelném zpracování, a zesílení odolnosti proti opotřebení zvyšováním objemového podílu tvrdých karbidů.

Obsah chrómu v oceli podle vynálezu musí být od 5 do 14 hmot. %, s výhodou od 7 do 9 hmotn. %. Tento prvek umožňuje jednak zvýšit kalitelnost oceli a jednak vytvořit vytvrzující karbidy.

Obsah manganu v oceli podle vynálezu musí být od 0,2 do 3 hmotn. %, s výhodou od 0,2 do 1,5 hmot. %. Tento prvek se přidává do složení, protože jde o prvek zpevňující při kalení, ale jeho obsah se omezuje pro omezení segregace, která by vyvolala špatnou kovatelnost a příliš malou houževnatost.

Ocel může obsahovat až 5 hmotn. % niklu. S výhodou musí obsah tohoto prvku zůstat pod 1 hmotn. %. Je možné ho přidávat do složení podle vynálezu, protože se jedná o prvek, který je zpevňující při kalení a nepřináší problémy segregace. Omezuje se však jeho obsah, neboť se jedná o gamagenní prvek, podporující tvorbu zbytkového austenitu.

Pro zesílení odolnosti proti změkčení v častém případě, kdy je ocel podrobena popouštění před použitím, je užitečné přidávat do složení silné karbidotvomé prvky, tvořící při popouštění jemné karbidy typu MC.

Mezi těmito prvky je dávána přednost vanadu, který je používá v množství nejméně 0,1 % ale nepřesahujících 1 %, přednostně nižších než 0,6 %.

Niobu, který má skon precipitovat při vyšší teplotě a který tak velmi škodí kovatelnosti oceli, je třeba se vyhnout a ve všech případech nebude přítomen v množství překračujícím hranici 0,1 hmotn.% a s výhodou bude jeho přítomnost nižší než 0,02 % hmotn. %.

Obsah křemíku a/nebo hliníku v oceli podle vynálezu musí být nižší než 2 hmotn. %. Kromě role odkysličování oceli umožňují tyto prvky zpomalovat koalescenci karbidů za tepla a snižují tak kinetiku změkčování při popouštění. Jejich obsah je však omezen, protože na 2 hmotn. % vyvolávají křehnutí oceli.

Obsah molybdenu a/nebo wolframu v oceli podle vynálezu musí být od 1 do 4 hmotn. %, s výhodou od 2,4 do 3 hmotn. %. Bude možno si povšimnout, že wolfram může nahrazovat úplně nebo z části molybden v poměru dvou dílů wolframu na jeden díl molybdenu. Tyto dva prvky umožňují zlepšovat kalitelnost oceli a vytvářet tvrdící karbidy. Jejich obsah je omezen, neboť jsou zdrojem segregaci.

Měď může být přítomna v oceli v množství nižším, než 1 %, aby neškodila kovatelnosti oceli.

Pro zlepšení obrobitelnosti oceli může být kromě toho přidána síra v množství nepřekračujícím 0,3 %, eventuálně doprovázená vápníkem, selenem a tellurem v podílech každý nižší než 0,1 %.

-3CZ 297762 B6

Výroba oceli podle vynálezu, včetně způsobu přidávání titanu a/nebo zirkonia, se může provádět jakýmkoli klasickým postupem, ale může být výhodně prováděna způsobem podle vynálezu, který tvoří druhý předmět vynálezu.

Tento způsob výroby součástek (dílů, dílců - dále: součástek) obsahuje první fázi, při které se vyrábí tekutá ocel tavením souboru prvků složení podle vynálezu, s výjimkou titanu a/nebo zirkonia, a poté se přidávají do taveniny oceli titan a/nebo zirkon, aniž by v kterémkoli okamžiku docházelo k tavenině oceli k tvorbě lokálních nadměrných koncentrací titanu a/nebo zirkonia.

Vynálezci totiž zjistili, že klasické postupy přidávání, podle dosavadního stavu techniky, titanu a zirkonia ve formě masivních prvků z feroslitiny nebo kovové, by vyvolávaly tvorbu hrubých a tedy méně četných nitridů titanu a/nebo zirkonia, zatímco jejich část se může oddělovat. Tato situace se zdá být spojená s tím, že způsoby přidávání vyvolávají silné nadměrné lokální koncentrace titanu a/nebo zirkonia v kapalině v okolí přidávaných prvků.

Jeden ze způsobů provádění tohoto prvního pochodu způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že se přidává titan a/nebo zirkonium do strusky kontinuálně kryjící ocelovou taveninu a titan a/nebo zirkonium se potom progresivním způsobem rozšiřuje do taveniny.

Další provedení tohoto prvního pochodu způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že se titan a/nebo zirkonium přidává kontinuálním zaváděním drátu, sestávajícího z tohoto prvku nebo prvků, do ocelové taveniny při současném míchání taveniny probubláváním nebo jakýmkoli jiným vhodným způsobem.

V rámci vynálezu je dávána přednost používání různých způsobů provádění, které byly popsány ale rozumí se, že může být použit jakýkoliv způsob umožňující předejít nadměrné lokální koncentraci titanu a/nebo zirkonia.

Výroba se zpravidla provádí v obloukové peci nebo v indukční peci.

Na výstupu z této výroby se tekutá ocel odlévá do ingotů nebo plochého předlitku (bramy). Pro zjemňování struktura bude možné provádět míchání v kokile nebo i použít proces přetavování pod struskou pomocí spotřebovatelné elektrody.

Tyto ingoty nebo bramové ingoty se poté přeměňují vhodnými postupy tváření plastickou deformací za tepla, jako je například kování nebo válcování.

Ocel může být potom podrobována tepelnému zpracování klasickými způsoby pro nástrojové oceli. Takové tepelné zpracování může zahrnovat eventuálně žíhání pro usnadňování řezání a obrábění a poté austenitizaci, následovanou chlazením způsobem přizpůsobeným tloušťce, jako je chlazení vzduchem nebo olejem, eventuálně následovanými popouštěními podle úrovně tvrdosti, která se má dosáhnout.

Třetím předmětem vynálezu je ocelový díl (dílec, součástka - dále: díl) složení podle vynálezu nebo získaný způsobem podle vynálezu, u něhož je střední velikost precipitátů karbidů chrómu, molybdenu nebo wolframu, pocházejících z tuhnutí, od 2,5 do 6 μιη, s výhodou od 3 do 4,5 pm.

-4CZ 297762 B6

Příklady provedení vynálezu

Vynález je znázorněn na základě pozorování následujících příkladů, přičemž tabulka 1 poskytuje chemické složení testovaných ocelí, z nichž tavba 1 odpovídá vynálezu, zatímco tavba 2 je uváděna pro porovnání.

Složení (v hmotn. %)	Tavba 1	Tavba 2
C	0,98	0,96
Cr	8,40	8,20
Mn	0,79	0,83
Ni	0,35	0,31
Cu	0,26	0,22
V	0,37	0,40
Nb	0,01	0,09
Si	0,97	0,94
Al	0,03	0,03
Mo	2,60	2,50
W	-	—
Ti	0,11	0,004
Zr	-	—
N	0,011	0,009

Použité zkratky:

Pv: objemová ztráta, vyjádřená v mm³

KV: energie na zlomení vzorku, vyjádřená v J/cm²

T: houževnatost, vyjádřená v J/cm²

Příklad 1 - houževnatost

Vyrobí se dva díly z tavby 1 podle vynálezu a ze srovnávací tavby 2, a to válcováním ingotů, vyrobených z taveb těchto složení, za tepla při 1150 °C. Vzorky se potom austenitizují při 1050 °C po dobu jedné hodiny, kalí se v oleji a poté se podrobují dvojímu popouštění při 525 °C po dobu jedné hodiny pro získání tvrdosti 60 HRC.

Poté se provedou dvě série pokusů používajících odlišných způsobů pro měření houževnatosti:

- rázová zkouška v ohybu na Charpyho vzorku ve formě tyče s V vrubem podle normy NF EN 10045-2, kterou se zjistí energie KV spotřebovaná na zlomení vzorku, a

- rázová zkouška v ohybu tyči bez vrubu (tyč 10 mm x 10 mm), kterou se získá houževnatost T.

Získané výsledky jsou shrnuty v následující tabulce:

Tavba 1

Tavba 2

KVT (J/cm²) (J/cm²)

14,059

10,547

Je patrné, že bez ohledu na použitou metodu má tavba 1 zlepšenou houževnatost vzhledem ke srovnávací tavbě.

-5CZ 297762 B6

Příklad 2 - odolnost proti opotřebení

Vyrobí se dva díly způsobem analogickým tomu, jaký je použit v příkladě 1, a provádí se měření odolnosti proti opotřebení podle normy ASTM G52, které dovoluje určovat objemovou ztrátu, k níž dochází u zkoušených vzorků. Tato zkouška spočívá v měření ztráty hmotnosti vzorku, vystaveného abrazivnímu opotřebení praménkem křemičitého písku s kalibrovanou granulometrií, zavedeným mezi pogumované kolo a pevný vzorek.

Získané výsledky jsou shrnuty do následující tabulky

PV (mm³)

Tavba 1 17,5

Tavba 2 18,5

Je možno konstatovat, že tavba podle vynálezu vykazuje odolnost proti opotřebení o něco zlepšenou vzhledem k srovnávací tavbě 2.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Nástrojová ocel, jejíž složení obsahuje, v procentech hmotnosti:

0,8 <C< 1,5

5,0<Cr< 14

0,2 < Mn < 3

Ni <5

V< 1

Nb<0,l

Si + Al < 2

Cu< 1

S < 0,3

Ca <0,1

Se <0,1

Te<0,l l,0<Mo+W/2<4

0,06 < Ti+Zr/2 < 0,15

0,004 < N < 0,02 přičemž zbytek složení tvoří železo a nečistoty vyplývající z výroby, a přičemž se dále rozumí, že 2,5.10'⁴%² < (Ti+Zr/2) x N.
2. Ocel podle nároku 1,vyznačená tím, že její složení obsahuje, v procentech hmotnosti:

0,8<C<l,5

7,0 < Cr < 9

0,2 < Mn < 1,5

Ni < 1

0,1 < V <0,6

Nb<0,l

-6CZ 297762 B6

Si+Al< 1,2

Cu < 1

S < 0,3

Ca <0,1

Se <0,1

Te<0,l

2,4 < Mo+W/2 < 3

0,06 < Ti+Zr/2 < 0,15

0,004 <N< 0,02 přičemž zbytek složení tvoří železo a nečistoty vyplývající z výroby, a přičemž se dále rozumí, že 2,5.10’⁴%² < (Ti+Zr/2) x N.
3. Ocel podle nároku 1 nebo 2, vyznačená tím, že obsah niobu je nižší než 0,02 hmotn. % nebo rovný 0,02 hmotn. %.
4. Ocel podle kteréhokoli z nároků 1 až 3,vyznačená tím, že obsah dusíku je od 0,006 do 0,02 hmotn. %.
5. Způsob výroby dílu z oceli se složením podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačený tím, že se vyrobí tekutá ocel tavením souboru prvků uvedeného složení, s výjimkou titanu a/nebo zirkonia, a poté s přidávají do taveniny oceli titan a/nebo zirkonium, přičemž se zabraňuje tomu, aby v kterémkoli okamžiku docházelo v tavenině oceli k tvorbě lokálních nadměrných koncentrací titanu a/nebo zirkonia, tekutá ocel se odlévá pro získání ingotu nebo bramy, a ingot nebo brama se podrobují tváření plastickou deformací za tepla a poté eventuálně tepelnému zpracování, pro získání uvedeného dílu.
6. Způsob podle nároku 5, vyznačený tím, že přidávání titanu a/nebo zirkonia se provádí kontinuálně do strusky pokrývající taveninu tekuté oceli, přičemž titan a/nebo zirkonium se poté progresivně šíří do této ocelové taveniny.
7. Způsob podle nároku 5, vyznačený tím, že přidávání titanu a/nebo zirkonia se provádí kontinuálním zaváděním drátu sestávajícího z titanu a/nebo zirkonia do ocelové taveniny při současném míchání taveniny.
8. Způsob podle nároku 5, vyznačený tím, že přidávání titanu a/nebo zirkonia se provádí foukáním prášku obsahujícího titan a/nebo zirkonium do ocelové taveniny při současném míchání taveniny.
9. Díl z oceli se složením podle kteréhokoli z nároků 1 až 4 nebo získaný způsobem podle kteréhokoli z nároků 5 až 8, vyznačený tím, že střední velikost precipitátů karbidů chrómu, molybdenu nebo wolframu, pocházejících z tuhnutí, je od 2,5 do 6 pm.
10. Díl z oceli podle nároku 9, vyznačený tím, že střední velikost precipitátů karbidů chrómu, molybdenu nebo wolframu, pocházejících z tuhnutí, je od 3 do 4,5 pm.