IT9048150A1

IT9048150A1 - Acciaio rapido da polveri.

Info

Publication number: IT9048150A1
Application number: IT048150A
Authority: IT
Inventors: Giovanni A Barcaro; Fabio Guglielmi; Paolo Sommovigo
Original assignee: Ct Sviluppo Materiali Spa
Priority date: 1990-07-17
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 1992-01-17
Also published as: ATE135056T1; ES2085457T3; DE69117605D1; IT1241490B; GR3019999T3; IT9048150A0; DE69117605T2; EP0467857A1; DK0467857T3; EP0467857B1

Description

DESCRIZIONE a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

"ACCIAIO RAPIDO DA POLVERI"

RIASSUNTO

Nuova composizione di acciaio rapido da polveri, caratterizzata da assenza di Co, riduzione del contenuto di W e innalzamento del contenuto di Mo e V. Con tale composizione delle polveri e con un trattamento termico opportuno dell'utensile finale, ottenuto per trasformazione di un semilavorato fabbricato con la tecnica della pressatura isostatica a caldo delle polveri stesse, si ottiene un bilanciamento ottimale tra tipo e dimensione dei precipitati, durezza, resistenza all'usura, tenacità, resistenza allo shock termico, capacità di taglio, sì che gli utensili preparati utilizzando detta composizione presentano un comportamento in servizio particolarmente buono

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a un acciaio rapido da polveri, e più precisamente a una composizione particolarmente studiata per polveri da pressatura isostatica a cal-do (Hot Isostatic Pressing, o HIP) in grado di fornire prodotti finiti capaci di elevatissime prestazioni in servizio.

Gli utensili da taglio per metalli (creatori, coltelli, frese ecc) sono sottoposti a condizioni di lavoro molto gravose, che richiedono elevate caratteristiche di durezza, resistenza all'usura, capacità di taglio, resistenza allo shock termico, tenacità ecc, spesso in contrasto tra loro e non facilmente ottenibili,

I tipi principali di acciai rapidi si dividono in due categorie:

gli acciai al tungsteno, contenenti dal 10 al 20% di tungsteno, dal 5 al 15% di cobalto, oltre a cromo e vanadio in quantità minori, e dallo 0,7 all'1,5% di carbonio ;

gli acciai al molibdeno, contenenti dal 3 al 10% di molibdeno, fino all'8% di tungsteno, fino al 12% di cobalto, dal 2 al 5% di cromo, dall'l al 4% di vanadio e dallo 0,8 all'1,5% di carbonio.

Negli acciai per utensili le principali funzioni degli elementi di lega consistono nell'aumentare la temprabilità, nel formare carburi duri e resistenti all'usura, nel mantenere i valori di durezza nel rinvenimento o comunque nel riscaldamento a elevata temperatura.

Le condizioni di solidificazione, di raffreddamento e, più in generale, di trattamento dell'acciaio, contribuiscono all'ottenimento delle caratteristiche desiderate, influendo sul tipo e sulle dimensioni dei carburi, sulla morfologia e sull'estensione delle segregazioni e sulla microstruttura.

L'introduzione della metallurgia delle polveri ha consentito di padroneggiare con relativa facilità i fenomeni segregativi e microstrutturali, tuttavia rimangono ancora numerosi aspetti di difficile controllo che influiscono sulla qualità del prodotto finito.

Inoltre, le moderne tecniche di lavorazione a elevata velocità, da un lato esasperano la necessità di elevatissima qualità degli utensili, dall'altro implicano notevoli perdite di produttività a ogni fermata per sostituzione di utensile.

Rimane quindi costantemente viva la ricerca di qualità sempre maggiore negli utensili, finora ottenuta di norma mediante impiego di maggiori quantità di elementi di lega pregiati e costosi, quali il cobalto e il tungsteno.

La presente invenzione ha lo scopo di fornire un acciaio rapido da polveri di qualità migliorata, in grado di assicurare un consistente allungamento della vita dell'utensile.

La presente invenzione ha inoltre lo scopo di migliorare la produttività delle macchine nelle quali si utilizzano gli utensili da essa derivati.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di eliminare o perlomeno di limitare l'impiego di elementi strategici e costosi, abbassando il costo degli utensili da essa derivati. Secondo la presente invenzione, un acciaio fuso avente la seguente composizione percentuale in peso: C da 1,50 a 1,85%, Mn da 0,20 a 0,55%, Si da 0,35 a 0,70%, W da 1,50 a 3,00%, Mo da 8,00 a 9,50%, V da 5,50 a 6,50%, Cr da 4,00 a 5,00%, il resto essendo ferro e impurezze minori, viene atomizzato in gas inerte (azoto o argon), per ottenere una polvere con distribuzione granulometrica compresa per almeno l'80% in peso della polvere al di sotto di 500 micrometri.

Durante l'atomizzazione, la velocità di raffreddamento delle polveri è compresa tra 1000 e 10000°C/s. In tal modo si ottiene Una polvere di eccellente omogeneità chimica e contenente precipitati di carburi molto fini, utili durante i successivi trattamenti, come si discuterà in seguito.

Le polveri così ottenute, vengono quindi sottoposte a pressatura isostatica a caldo, per ottenere semilavorati, come barre tonde o aventi forma più complessa, che a loro volta possono essere ulteriormente lavorati fino a ottenere il prodotto finale desiderato. Quest'ultimo viene infine riscaldato in sali fusi a una temperatura compresa tra 1160 e 1200°C, per un tempo compreso tra 3 e 10 minuti, temprato in sali in modo tradizionale a temperatura compresa tra 450 e 600°C e quindi raffreddato fino a temperatura ambiente; infine il prodotto viene assogettato a tre rinvenimenti successivi a temperature rispettivamente comprese tra 530 e 560°C, tra 540 e 570°C e di nuovo tra 530 e 560°C; detti trattamenti sono.protratti ciascuno per un tempo compreso tra 1 e 2 ore. Questi trattamenti termici hanno lo scopo di solubilizzare e riprecipitare nella composizione, nella quantità e nelle dimensioni ottimali per gli scopi dell'invenzione i carburi che, già fini nelle polveri atomizzate, possono essere solubilizzati nell'intervallo relativamente basso tra 1160 e 1200°C senza consentire una eccessiva crescita del grano. I carburi così ottenuti sono del tipo M2C-MC, hanno una dimensione massima inferiore a 3,5 micrometri, tipicamente compresa tra 0,5 e 2,5 micrometri, e sono presenti con una frazione volumetrica compresa tra il 13 e il 18%.

Le caratteristiche impartite da tale trattamento agli utensili così ottenuti sono in genere allineate ai valori più alti riscontrati negli acciai rapidi più noti e usati in pratica, anche per proprietà tra loro antitetiche o difficilmente abbinabili come la durezza e la tenacità; proprio questo loro generale allineamento su valori alti conferisce agli utensili una qualità di gran lunga superiore a quella finora nota.

Sono stati preparati tre acciai secondo la presente invenzione, le cui composizioni come anche quelle di tre acciai di paragone noti in commercio sono riportate nella tabella 1. Le composizioni di paragone RIF1 e RIF2 riguardano i migliori acciai da lingotto delle famiglie rispettivamente degli acciai al tungsteno e al molibdeno mentre la RXF3 si riferisce al più impiegato acciaio da polveri.

TABELLA 1

Le caratteristiche dei precipitati, espresse come tipo di carburi, loro diametro e frazione volumetrica, sono riportate nella tabella 2.

TABELLA 2

Nelle tabelle 3, 4 e 5 sono riportate rispettivamente le caratteristiche relative a durezza e resistenza a usura, alla capacità di taglio, alla tenacità e resistenza allo shock termico (FP= Fattore di Pirocriccatura).

TABELLA 3

Nella Tabella 3, le durezze sono riportate come valori Rockwell (HRC) e come valori Brinnell (HB). La prova di resistenza all'usura secondo Marcelin è una prova tecnologica ben nota agli esperti.

Nella tabella successiva, le velocità di taglio V20, V40 e V60 , secondo Taylor indicano le velocità di taglio in metri al minuto a cui l'utensile decade, rispettivamente,, in 20, 40 o 60 minuti.

TABELLA 4

TABELLA 5

Nella tabella 5, che si riferisce alla tenacità degli acciai in prova, e alla resistenza agli shock termici si riportano i valori di resistenza a rottura, in MPA, di provini ricavati longitudinalmente e trasversalmente rispetto al barrotto originale.

Il fattore di pirocriccatura (FP) è indice della capacità del materiale a sopportare cicli termici rapidi, nonché della velocità con cui in detto materiale si sviluppano e si propagano le cricche da fatica termica. La misura di tale fattore viene effettuata nel seguente modo, messo a punto nei laboratori dello stesso titolare della presente invenzione:

un provino circolare del materiale in esame viene posto in rotazione e riscaldato per induzione in modo che parte della sua superficie in corrispondenza della circonferenza massima sia riscaldata a 800°C circa? contemporaneamente, metà di detta circonferenza viene sottoposta a un raffreddamento mediante spruzzi d'acqua, in modo che per ogni giro del provino la sua superficie sia assoggettata a un ciclaggio termico tra la temperatura di riscaldo citata e circa 100 "C. Provini diversi dello stesso materiale vengono provati per 500, 1000, 2000 e 4000 giri. In seguito detti provini vengono rettificati e sottoposti a esame microscopico per misurare il numero, la lunghezza e la penetrazione delle cricche formatesi durante la prova.

Per ogni serie di cicli si determina un fattore C secondo la formula :

in cui Cn è il fattore C a n cicli, r corrisponde alla densità misurata delle cricche, come numero di cricche per millimetro di lunghezza della circonferenza del provino; Lm è la lunghezza media delle cricche, come somma delle lunghezze delle cricche diviso il numero delle cricche stesse; Pmax è la profondità massima di penetrazione delle cricche lungo il raggio del provino.

Si determina quindi il fattore di pirocriccatura secondo la seguente formula:

Come si desume dalle tabelle precedenti, il materiale secondo l'invenzione è allineato, caratteristica per caratteristica, con i migliori prodotti esistenti sul mercato, ed è l'unico a mantenere a confronto con essi costantemente alte tutte le proprietà; proprio per questa sua particolarità di possedere eccellenti valori contemporaneamente per tutte le caratteristiche, l'acciaio secondo la presente invenzione mostra nelle sue applicazioni pratiche una qualità eccezionalmente alta, non riscontrata in nessun altro acciaio per le stesse applicazioni .

Creatori per taglio a inviluppo prodotti secondo la presente invenzione e provati per lunghi periodi su linee ad alta velocità di fabbricazione di ingranaggi, hanno consentito dì aumentare del 400-500% la produttività delle stesse-linee. In particolare creatori delle composizioni CSM1, CSM2 e CSM3 hanno ripetitivamente consentito di incrementare la fabbricazione di ingranaggi in acciaio bonificato ad alta durezza fino a 12000 pezzi senza richiedere affilature intermedie, essendo pari a 4000 pezzi la prestazione media standard dell'acciaio da polveri RIF3 che aveva già migliorato la resa di tutti gli acciai convenzionali da lingotto. Si è ottenuto così l'aumento di produttività predetto grazie non solo all'incrementato numero di pezzi prodotto con lo stesso utensile, ma ancor più per aver evitato i fermi macchina fortemente penalizzanti per le moderne tecniche ad alta velocità di lavorazione.

Claims

RIVENDICAZIONI Acciaio rapido da polveri caratterizzato dalla seguente composizione percentuale in peso: C da 1,50 a 1,85; Mn da 0,20 a 0,55; Si da 0,35 a 0,70; W da 1,50 a 3,00; Mo da 8,00 a 9,50; V da 5,50 a 6,50; Cr da 4,00 a 5,00;.il restante essendo ferro e impurezze minori. Acciaio secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la polvere è ottenuta per atomizzazione in gas scelto tra azoto e argon, si presenta in forma sferica e ha dimensioni delle particelle per almento 1,80% inferiori a 500 micrometri. Acciaio secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dopo aver subito il seguente ciclo - raffreddamento in sede di solidificazione della polvere a una velocità compresa tra 1000 e 10000°C/s; - pressatura isostatica a caldo per ottenere un semilavorato; trasformazione del semilavorato nel prodotto desiderato; - riscaldamento del prodotto in sali fusi a una temperatura compresa tra 1160 e 1200°C per un tempo compreso tra 3 e 10 minuti; - tempra in sali fusi fino a una temperatura compresa tra 450 e 600’C seguita da raffreddamento a temperatura ambiente; - serie di tre rinvenimenti successivi a temperature rispettivamente comprese tra 530 e 560°C, tra 540 e 570 “C, e di nuovo tra 530 e 560°C, ciascuno per tempi compresi tra 1 e 2 ore; presenta carburi precipitati del tipo M2C-MC con una dimensione massima inferiore a 3,5 micrometri e con una frazione volumetrica compresa tra il 13 e il 18%. 4., Acciaio secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detti carburi hanno dimensione massima compresa tra 0,5 e 2,5 micrometri.