FI107269B - Muottiteräs - Google Patents

Description

107269 MUOTTITERÄS Keksinnön ala v Keksintö liittyy muottimateriaalien alaan. Erityisesti keksintö koskee terästä, jota 5 voidaan käyttää painevalun ja vastaavien menetelmien yhteydessä.

Keksinnön tausta

Painevalussa ja siihen rinnastettavissa menetelmissä muottiin kohdistuvat rasitukset johtuvat sulan metallin ja muottiteräksen kontaktista aiheutuvasta syklisestä lämpös-10 hokista, injektointipaineen synnyttämästä hydrostaattisesta paineesta sekä virtaavan sulan aiheuttamasta mekaanisesta ja kemiallisesta kulumisesta muotin pinnalla. Muottien vaurioitumismekanismit ovat terminen väsyminen, makromurtuminen ja ns. wash out, joka tapahtuu eroosion, korroosion ja kiinnihitsautumisen välityksellä. Vallitseva vaurioitumismekanismi riippuu osittain valettavasta metallista, muotin 15 koosta ja muodosta sekä muottimateriaalista. Yleisin syy on kuumasäröily, jonka osuus on noin 85 % vaurioitumistapauksista.

Kuumasäröily on termisestä väsymisestä johtuvaa verkkomaista halkeilua muotin pinnalla. Tavanomaisesta väsymisestä poiketen terminen väsyminen ei aiheudu ulkoisen kuormituksen vaihtelusta, vaan halkeilun synnyttävä syklinen jännitys ja muo-20 donmuutos aiheutuvat lämpötilan vaihtelusta. Teoreettisten tarkastelujen pohjalta voidaan todeta, että kuumasäröilyn keston kannalta muottimateriaalin myötölujuuden tulisi olla korkea ja mahdollisimman riippumaton lämpötilasta ja syklimäärästä, ts.

• · * materiaalin tulisi olla termisesti stabiili.

Wash out on kuumasäröilyn ohella toinen painevalumuotin vaurioitumiseen johtavis-25 ta päämekanismeista. Wash out:lla tarkoitetaan sulan metallin ja muottimateriaalin vuorovaikutuksesta johtuvaa materiaalin poistumista muotin pinnalta. Sen on todettu tapahtuvan korroosio-, eroosio- ja kiinnihitsautumismekanismilla ja olevan ongelma-. . na lähinnä paikoissa, joissa muottimateriaali on voimakkaasti vuorovaikutuksessa virtaavan sulan metallin kanssa, kuten sisäänsyöttöalueella ja keemoissa. Wash out:n 30 keston kannalta muottimateriaalin kovuuden tulisi olla korkea eikä muottimateriaalin tulisi muodostaa sulan metallin kanssa helposti yhdisteitä.

Painevalumuottiteräkseltä vaadittavia materiaaliominaisuuksia ovat lisäksi: - korkea myötölujuus 2 10726^ - hyvä sitkeys - hyvä lämmönjohtavuus - hyvä kuumaeroosionkestävyys - pieni lämpölaajenemiskerroin 5 - pieni erkaumakoko, tasainen erkaumajakauma ja erkaumien stabiili rakenne - matriisin stabiilisuus - muottiteräksen seosaineiden vähäinen liukeneminen painevalettavaan metalliin - matala epäpuhtaustaso ja hyvä kuonapuhtaus - homogeeninen rakenne.

10

Yleistäen voidaan sanoa, että muottiteräksen ominaisuudet määräytyvät koostumuksen, valmistusprosessin sekä kuumamuokkauksen ja lämpökäsittelyn perusteella.

Tavanomaisten maraging-terästen käyttöä muottiteräksenä rajoittaa se, että mar-15 tensiittinen mikrorakenne ei ole stabiili lämpötiloissa yli 480 °C. Tämän lämpötilan yläpuolella alkaa martensiittinen mikrorakenne muuttua vähitellen austeniitiseksi rakenteeksi. Austeniitilla on martensiitista poikkeavat ominaisuudet, kuten huonompi lujuus ja lämmönjohtavuus, suurempi lämpölaajenemiskerroin jne., ja nämä poikkeavat ominaisuudet aiheuttavat paikallisia jännitystiloja, jotka edesauttavat termisten 20 murtumien syntymistä muottipinnalle ja lyhentävät siten muotin käyttöikää. Fe-Ni-,

Fe-Cr- ja Fe-Ni-Cr-pohjaisten maraging-terästen austenisoitumislämpötilaa laskee ·· voimakkaasti etenkin nikkeli (noin 10 °C/paino-%) sekä kromi, kuitenkin selvästi nikkeliä vähemmän. Toisaalta nikkeli ja kromi parantavat etenkin maraging-terästen sitkeyttä. Maraging-terästen austenitoitumislämpötilaa voidaan siis kohottaa alenta-25 maila nikkelipitoisuutta ja/tai korvaamalla osa nikkelistä kromilla. Samanaikaisesti on kuitenkin muulla seostuksella huolehdittava siitä, että teräksen muut ominaisuudet pysyvät oikealla tasolla.

Keksinnön kuvaus 30 Nyt on keksitty patenttivaatimuksen 1 mukainen titaania, molybdeenia, kobolttia, kromia ja nikkeliä sisältävä, erkaumakarkeneva maraging-tyyppinen muottiteräs, jolla on korkean lujuuden, hyvän sitkeyden, pienen lämpölaajenemiskertoimen ja hyvän 3 107269 lämmönjohtokyvyn ohella merkittävästi parempi terminen stabiilisuus kuin muilla maraging-teräksillä, ja siten tavanomaisia maraging-teräksiä parempi kuumasäröilyn ja wash-outin kesto.

Tämän keksinnön mukainen titaania, molybdeenia, kobolttia, kromia ja nikkeliä sisäl-5 tävä maraging-tyyppinen muottiteräs valmistetaan menetelmällä, joka mahdollistaa mahdollisimman alhaiset epäpuhtauspitoisuudet kiinteille alkuaineille kuten hiili, fosfori, rikki, pii, mangaani ja kupari sekä kaasumaisille alkuaineille kuten happi, typpi ja vety. Edullisesti menetelmänä käytetään vakuumi-induktiosulatusta (VIM) täydennettynä vakuumissa tehdyllä uudelleensulatuksella (VÄR).

10 Keksinnön mukainen maraging-tyyppinen muottiteräs sisältää painoprosentteina enintään 0,03, edullisesti enintään 0,02 % hiiltä; 9-18, edullisesti 10-14 % nikkeliä; 1-5, edullisesti 1-3 % kromia; 2-8, edullisesti 2-5 % molybdeeniä; 5-15, edullisesti 10-12 % kobolttia; ja 0,1-1,5, edullisesti 0,2-0,7 % titaania. Edullisesti suhde Ni/Ti on välillä 15-20.

15 Edullisesti keksinnön mukainen teräs sisältää lisäksi painoprosentteina enintään 1,0, edullisemmin enintään 0,2 % alumiinia; piitä ja mangaania yhteensä enintään 0,20, edullisemmin enintään 0,15 %; rikkiä enintään 0,010, edullisemmin enintään 0,003 %; fosforia enintään 0,010, edullisemmin enintään 0,005 %, ja loput rautaa ja mahdollisia epäpuhtauksia.

20

Yksityiskohtainen kuvaus . Keksintö havainnollistetaan seuraavassa eri teräslaaduilla tehdyn koesaijan avulla.

• ·

Useita testejä ja laboratoriokokeita on suoritettu, jotta voidaan vertailla keksinnön hyötyjä tavanomaisiin nykyisin käytettäviin maraging-teräksiin nähden. AI ja A2 25 edustavat käytössä olevia maraging-teräksiä jaBl, B10jaB13 keksinnön mukaisia teräksiä. Taulukossa 1 on esitetty koeterästen koostumukset.

λ ·

Taulukko 1. Koemateriaalit

Ni Cr Mo Co Ti AI 14,1 0,026 4,72 10,9 0,19 A2 19,3 0,035 4,62 7,3 0,44 B1 9,6 4,12 1,02 9,7 0,74 BIO 12,1 3,28 2,52 10,5 1,04 B13 12,2 3,12 4,51 10,6 0,65 « Λ ί 107269 4

Kun yllämainituille koeteräksille määritettiin dilatometrimenetelmällä austeniitin muodostumisen alkulämpötila ( As ) sekä martensiitin muodostumisen alkulämpötila (Ms) ja loppulämpötila (Mf) saatiin seuraavat tulokset: 5

Taulukko 2. Koeterästen austeniitin muodostumisen alkulämpötila sekä martensiitin alku- että loppulämpötilat

As, 1 °C/s As, 10 °C/s Ms Mf |

°C °C °C °C

AI 701 723 357 251 A2 644 684 189 <80 | B1 710 730 360 230 BIO 706 723 353 221 B13 705 714 285 153 10

Kuten taulukosta huomataan, austeniitin muodostumislämpötila voidaan nostaa tavanomaisen maraging-teräksen 644 °C:sta vähentämällä nikkeliä ja korvaamalla osa nikkelistä kromilla. Keksinnön mukaisessa teräksessä reversioausteniitin muodostumisen alkamislämpötila on yli 700 °C mitattuna dilatometrimenetelmällä lämpötilan 15 nousunopeuden ollessa 10 °C/s.

*

Koeteräksille määritettiin: 1) lujuusominaisuudet huoneen lämpötilassa sekä » • ♦ 2) korotetuissa lämpötiloissa, 20 3) erkautuskäyttäyminen ajan funktiona, 4) väsyminen sekä huoneenlämpötilassa että 5) korotetussa lämpötilassa, . 6) lämpölaajenemiskertoimet, 7) lämmönjohtavuudet, 25 8) termisen väsymisen kesto kahdella menetelmällä.

Yllämainittuja mekaanisia ja termisiä ominaisuuksia ei ole määritetty kaikille taulukon 1 mukaisille koeteräsille.Perusominaisuudet määritettiin kaikille, mutta tietyt testit tehtiin vain vertaillen esim. kahta kemiallista koostumusta.

5 107269

Taulukko 3. Murtolujuus ja murtovenymä huoneenlämpötilassa sekä korotetussa lämpötilassa.

21 °C 400 °C 600 °C

Rm (MPa) A5(%) E(Gpa) Rm(MPa) A5(%) Rm(MPa) A5(%) AI 1669 10 194 1396 9 786 15 A2 1745 7 180 1419 6 786 19 B1 1532 10 195 1195 9 784 14 BIO 1799 8 194 1436 10 775 17 B13 1962 7 197 1541 10 811 17 5

Taulukko 4. Kovuuden muutos erkautuslämpötilassa 530 °C/525 °C ajan funktiona.

Kovuus, Vickers HV 10 6 tuntia 9 tuntia 15 tuntia

Al/525 °C 543 537 525 B10/530 °C 568 570 558 B13/530 °C 603 600 581 10

Taulukko 5. Koeterästen murtolujuudet , kestoikä ± 900 MPa kuormituksella ja murtolujuuteen suhteutettu väsymisen keskiarvo (vertaileva testi)

Rm (Mpa) Kestoikä ±900 Mpa Suhteutettu kestoikä syklien lukumäärä syklien lukumäärä BIO 1799 23749 11875 .: B13 1962 43510 20015 15

Taulukko 6. Koeterästen väsymisen kesto lämpötilassa 400°C (vertaileva testi) ±550 Mpa ±750MPa * syklien lukumäärä AI 729041 28515 B13 757450 50477 6 107269

Taulukko 7. Koeterästen lämpölaajenemiskertoimet | Lämpölaajenemiskerroin Lämpötila-alue 10^/°C °c AI 10,8 20 - 600 BIO 11,9 20-710 B13 11,3 20-710 5 Taulukko 8. Koeterästen lämmönjohtavuudet °C Lämmönjohtavuudet W/cmK° AI BIO B13 23 25,5 17,0 17,8

100 26,9 19,1 20,4 I

200 28,2 22,0 22,3 300 30,0 24,1 24,7 400 31,6 25,2 26,2 500 33,2 28,1 29,0 600 33,5 23,8 26,8 650 21,7 23,3 j

Koeterästen termisen väsymisen kesto mitattiin kahdella eri menetelmällä, ns. Dunk-10 kastokokeella ja induktiomenetelmällä. Kastokokeessa koesauvojen mitat olivat 12,7 x 12,7 x 152 mm ja niiden toiseen päähän oli koneistettu kierteytetty reikä kiinnitystä varten. Ennen kokeen aloittamista sauvoja pidettiin uunissa 371 °C lämpötilassa 1 • tunnin ajan. Tällä sauvojen pintaan saatiin muodostumaan oksidikerros, jonka tarkoituksena oli vähentää alumiinin kiinnitarttumista sauvojen pintaan kokeen aikana. Ko- 15 esyklin aikana kappale upotettiin sulaan alumiiniin (T = 620 °C), jossa sitä pidettiin 3,5 sekuntia. 15000 syklin jälkeen pitoaikaa pidennettiin 7 sekuntiin. Alumiinin kaston jälkeen kappale siirrettiin veden ja painevalumuotin voiteluaineen (LaFrance *

Franlube 3600) seokseen, jossa sitä pidettiin 10 sekuntia. Ennen uudelleen kastoa kappaleen annettiin kuivua noin 5 sekuntia. Kokeessa käytettiin A3 84 alumiinilaatua.

20 Koekappaleista mitattiin kovuus ja laskettiin halkeamien lukumäärä 5000 kastosyklin välein. Halkeamien laskemiseksi koekappaleiden kaksi vastakkaista sivua hiottiin 240 ja 600 grid-hiomapaperilla, jonka jälkeen niitä tarkasteltiin stereomikroskoopilla 7 107269 (suurennus 90 X ) neljältä särmältä 35 mm:n pitkältä alueelta, joka sijaitsi 35 mm koekappaleen alaosasta. Kullekin koekappaleelle tehtiin 25000 kastosykliä.

Taulukko 9. Dunk-kastokokeiden tulokset J

- Syklimäärä / Kovuus HRC Halkeamien määrä 25000 syklin jälkeen 5000 10000 15000 20000 25000 AI 49 49 49 42 42 617 BIO 52 52 52 46 44 20 B13 54 54 54 48 . 47 75

Termiset väsymiskokeet induktiokuumennuslaitteistolla tehtiin seuraavasti: Koekappaleena käytettiin 0 20 x 40 mm:n sylinteriä, johon oli porattu 0 4 mm:n akselin 10 suuntainen reikä. Kappaletta kuumennettiin induktiokelan avulla 600 °C:n lämpötilaan, jonka jälkeen se jäähdytettiin vesisuihkulla huoneen lämpötilaan. Kuumennusai-ka kokeessa oli 6 sekuntia ja jäähdytysaika 13 sekuntia. Koekappaleet tarkastettiin 10, 100, 500, 1000,2500, 5000, ja 10000 syklin jälkeen tekemällä niistä pintareplikat ja valokuvaamalla ne valomikroskoopilla käyttäen digitaalista menetelmää. Lisäksi 15 10000 syklin jälkeen koekappaleet kuvattiin elektronimikroskoopilla.

Taulukko 10. Termisen väsymiskokeiden tulokset induktiivisella menetelmällä

Syklimäärä AI B13

Havainnot mikroskooppikuvista 0-1000 ei säröjä ei säröjä 2500 ei säröjä ei säröjä 5000 säröjen alkuja ei säröjä 10000 säröjä muutamia säröjä 20 * Testit osoittavat, että keksinnön mukaisen teräksen termisen väsymisen kesto on merkittävästi parempi kuin tavanomaisten maraging-terästen ja että tämä johtuu keksinnön mukaisen teräksen paremmasta termisestä stabiilisuudesta kevytmetallien (Zn, Mg, AI) painevalun vaatimissa lämpötiloissa. Tasapainottamalla koostumus oi-25 kein on myös muut painevalumuotin kestoon vaikuttavat ominaisuudet voitu pitää hyvällä tasolla. Tärkeää on pitää nikkelin ja titaanin suhde riittävän pienenä, eli alle 10726(9

S

20. Näin titaani sitoo nikkeliä stabiileihin metallien välisiin yhdisteisiin, matriisin nik·· kelipitoisuus pysyy riittävän alhaisena ja austeniitin reversiolämpötila on riittävän korkea.

5 Keksinnön mukaisen maraging-tyyppisen muottiteräksen valmistusmenetelmä voi käsittää ainakin seuraavat vaiheet: - ensimmäisessä vaiheessa raaka-aineet sulatetaan vakuumi-induktiouunissa ja valetaan vakuumissa, - toisessa vaiheessa valettu esiaihio uudelleensulatetaan vakuumissa rakenteen ho-io mogenisoimiseksi ja edelleen epäpuhtauksien eliminoimiseksi, - kolmannessa vaiheessa uudelleensulatettu aihio kuumamuokataan vähintäin re-duktiosuhteella 1:3 ja muokattu aihio lämpökäsitellään.

Kuten keksinnön taustan selostuksesta ilmenee, keksinnön mukaisen teräksen edulli-15 nen käyttöala on kevytmetallien painevalun muottimateriaalina. Lisäksi se soveltuu hyvin esim. muovien ruiskupuristusmuottien materiaaliksi. 1 ·

Claims (6)

9 107269

1. Erkaumakarkeneva maraging-tyyppinen teräs, tunnettu siitä, että se on valmistettu ai- ' nakin seuraavien vaiheiden kautta: 5. sulatetaan vakuumi-induktiouunissa ja valetaan vakuumissa, - valettu esiaihio uudelleensulatetaan vakuumissa rakenteen homogenisoimiseksi ja edelleen epäpuhtauksien eliminoimiseksi, - uudelleensulatettu aihio kuumamuokataan reduktiosuhteella vähintään 1:3, ja muokattu aihio lämpökäsitellään; 10 jossa teräksessä reversioausteniitin muodostumisen alkamislämpötila on yli 700 °C mitattuna dilatometrimenetelmällä lämpötilan nousunopeuden ollessa 10 °C / s, ja jonka teräksen koostumus painoprosentteina on: Ni 9-18 edullisesti 10-14 Cr 1-5 “ 1-3 Mo 1-8 “ 2-5 Co 5-15 “ 10-12 Ti 0,1-1,5 “ 0,2-0,7 AI enintään 1 ” enintään 0,2 C enintään 0,03 enintään 0,02 15 lopun ollessa rautaa ja mahdollisia epäpuhtauksia.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen teräs, tunnettu siitä, että se lisäksi sisältää piitä ja . 1 magnesiumia yhteensä enintään 0,2 painoprosenttia, edullisesti enintään 0,15 painopro senttia. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen teräs, tunnettu siitä, että se lisäksi sisältää rikkiä enintään 0,010 painoprosenttia, edullisesti enintään 0,003 painoprosenttia. • ·

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen teräs, tunnettu siitä, että se lisäksi sisältää 25 fosforia enintään 0,010 painoprosenttia, edullisesti enintään 0,005 painoprosenttia.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen teräs, tunnettu siitä, että nikkelipitoisuuden ja titaanipitoisuuden suhde laskettuna painoprosenteista on pienempi kuin 25, edullisesti pienempi kuin 20. ,0 107269

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukaisen teräksen käyttö kevytmetallien painevalun muottimateriaalina.

5 Patentkrav