NO123624B

NO123624B -

Info

Publication number: NO123624B
Application number: NO469568A
Authority: NO
Inventors: N Hede; L Hellner
Original assignee: Bofors Ab
Priority date: 1967-11-27
Filing date: 1968-11-26
Publication date: 1971-12-20
Also published as: DE1806224A1; SE324904C; BE724261A; FR1592984A; NL6816576A; CH520776A; DE1806224B2; SE324904B; GB1244182A

Description

Utskilningsherdende austenittisk stål. Precipitation hardening austenitic steel.

Oppfinnelsen angår et utskilningsherdende austenittisk stål med en Vickershardhet ved værelsetemperatur av over !+20, en god varmhold-fasthet, god slitestyrke og god seighet ved såvel værelsetemperatur som forhoyet temperatur. The invention relates to a precipitation-hardening austenitic steel with a Vickers hardness at room temperature of over !+20, a good heat holding strength, good wear resistance and good toughness at both room temperature and elevated temperature.

Ståltypen ifolge oppfinnelsen er spesielt egnet for anvendelse som varmefast verktoystål, heretter kalt varmarbeidsstål. Det er ved forsok blitt fastslått at et varmarbeidsstål bor ha en Vickershardhet ved værelsestemperatur av over ca. ^00 for å hindre en generell de-formering av verktoyet ved anvendelse av dette. De hittil anvendte varmarbeidsstål har vært av martensittisk type, og det har ved herå-ning og anlopning kunnet oppnåes en tilstrekkelig hoy hardhet ved værelsestemperatur. Hardheten for denne ståltype har imidlertid vist vist seg å synke relativt hurtig ved temperaturer over ca. 600°C, The type of steel according to the invention is particularly suitable for use as heat-resistant tool steel, hereafter called hot-work steel. It has been established by trial that a hot-work steel should have a Vickers hardness at room temperature of over approx. ^00 to prevent general deformation of the tool when using it. The hot work steels used to date have been of the martensitic type, and it has been possible to achieve a sufficiently high hardness at room temperature by annealing and tempering. However, the hardness of this type of steel has been shown to decrease relatively quickly at temperatures above approx. 600°C,

og for flere formål, f.eks. strengpressing av kobber, er dette temperaturområde meget viktig, og de angjeldende martensittiske ståls hardhet ved forhoyet temperatur er derfor utilstrekkelig med folgelig dårlig slitestyrke. Det er derfor blitt foreslått å anvende' austenittiske stål i denne forbindelse da man ved anvendelse av slike austenittiske stål ved temperaturer over 650°C som regel får en hardhet som er hoyere enn hardheten for de nevnte martensittiske (fer-rittiske) stål. Slike, austenittiske stål har imidlertid ved lavere temperaturer enn 600°C en hardhet som er utilfredsstillende for anvendelse i varmarbeidsverktoy. Denne utilfredsstillende hardhet til de austenittiske stål ved lavere temperaturer kan imidlertid okes be-traktelig ved kaldbearbeiding. En slik kaldbearbeiding medforer imidlertid betydelige ulemper ved at varmarbeidsverktbyet må fremstilles fra et hardt materiale, og dette innbærer selvfølgelig en vanskelighet. De austenittiske stål har som regel en meget god seighet ved værelsetemperatur, men denne seighet minsker med stigende temperatur, og det oppstår som regel et seighetsminimum ved en temperatur av ca. 600 - 700°C. Da dette temperaturområde er av stor betydning for flere varmarbeidsstål, har det angjeldende seighetsminimum vært en besværlig faktor. and for several purposes, e.g. strand pressing of copper, this temperature range is very important, and the hardness of the relevant martensitic steels at elevated temperatures is therefore insufficient with consequent poor wear resistance. It has therefore been proposed to use austenitic steels in this connection, as when using such austenitic steels at temperatures above 650°C, as a rule, a hardness is obtained which is higher than the hardness of the aforementioned martensitic (ferritic) steels. However, at temperatures lower than 600°C, such austenitic steels have a hardness that is unsatisfactory for use in hot work tools. This unsatisfactory hardness of the austenitic steels at lower temperatures can, however, be increased considerably by cold working. Such cold processing, however, entails significant disadvantages in that the hot-work tool must be produced from a hard material, and this of course entails a difficulty. The austenitic steels generally have a very good toughness at room temperature, but this toughness decreases with increasing temperature, and a toughness minimum usually occurs at a temperature of approx. 600 - 700°C. As this temperature range is of great importance for several hot-work steels, the relevant minimum toughness has been a troublesome factor.

Stålet ifolge oppfinnelsen er ikke beheftet med de nevnte ulemper. Det er utskilningsherdende, og dette medforer at verktoyet kan fremstilles av et materiale som bare er blitt opplosningsbehandlet og derfor har en forholdsvis lav hardhet, og dette letter selvfølgelig fremstillingen av verktoyet. Stålet ifolge oppfinnelsen har dessuten en Vickershardhet ved værelsetemperatur av over H&O, en god hardhet ved forhoyet temperatur, god slitestyrke og slitasjebestandighet og god seighet ved både værelsetemperatur og forhoyet temperatur. Det utskilningsherdende austenittiske stål ifolge oppfinnelsen er sær-» preget ved at det inneholder folgende bestanddeler: The steel according to the invention is not affected by the aforementioned disadvantages. It is precipitation hardening, and this means that the tool can be produced from a material that has only been solution treated and therefore has a relatively low hardness, and this of course facilitates the production of the tool. The steel according to the invention also has a Vickers hardness at room temperature of above H&O, a good hardness at elevated temperature, good abrasion resistance and abrasion resistance and good toughness at both room temperature and elevated temperature. The precipitation-hardening austenitic steel according to the invention is special in that it contains the following components:

og resten jern og i ståltypen vanlige forurensninger, idet innholdet av mangan og nikkel er således valgt at oppnåelsen av en stabil austenittstruktur sikres. and the rest iron and, in the steel type, common impurities, the content of manganese and nickel being chosen in such a way that the achievement of a stable austenite structure is ensured.

Det følgende representerer et foretrukket analyseområde: The following represents a preferred area of analysis:

Som nevnt sikres den stabile austenittstruktur ved tilsetning As mentioned, the stable austenite structure is ensured by addition

av mangan og nikkel. Forsok er blitt utfort med eldning i 2,5 timer ved en temperatur av 700°C med en legering bestående av ca. 0, h $ silisium, ^,5 % krom, 1,0 % vanadium, 1,5 % molybden, 1,5 % wolfram og med et karboninnhold av 0,3 og 0,8 % og varierende mengder mangan og nikkel. Det har vist seg for stål inneholdende 0,8 % karbon at dette både uten tilsetning av mangan og nikkel og med tilsetning av 2 henholdsvis h % mangan hadde sterkt magnetiske egenskaper. En tilsvarende legering, men med h % mangan og 1 % nikkel eller >+ % mangan og 2 % nikkel, hadde fremdeles svake magnetiske egenskaper mens tilsetningen av 6 % mangan og 2 % nikkel, 6 % mangan og h % nikkel, 8 % mangan og h % nikkel og 10 % mangan og 6 % nikkel alle ga umagnetiske stål. En legering inneholdende 0,8 % karbon og 3,8 % mangan og 2,3 % nikkel ga ved røntgenundersøkelse et ferrittinnhold (martensittinnhold) av ca. 10 %. of manganese and nickel. Experiments have been carried out with aging for 2.5 hours at a temperature of 700°C with an alloy consisting of approx. 0, h $ silicon, ^.5% chromium, 1.0% vanadium, 1.5% molybdenum, 1.5% tungsten and with a carbon content of 0.3 and 0.8% and varying amounts of manganese and nickel. It has been shown for steel containing 0.8% carbon that this both without the addition of manganese and nickel and with the addition of 2 h % manganese respectively had strong magnetic properties. A similar alloy, but with h% manganese and 1% nickel or >+% manganese and 2% nickel, still had weak magnetic properties while the addition of 6% manganese and 2% nickel, 6% manganese and h% nickel, 8% manganese and h% nickel and 10% manganese and 6% nickel all gave non-magnetic steels. An alloy containing 0.8% carbon and 3.8% manganese and 2.3% nickel gave a ferrite content (martensite content) of approx. 10%.

Det har vist seg at samtlige stållegeringer inneholdende 0,3 % karbon var sterkt magnetiske ved tilsetning av henholdsvis h % It has been shown that all steel alloys containing 0.3% carbon were strongly magnetic with the addition of h%

mangan og 0, 5 % nikkel, h % mangan og 2 % nikkel og 6 % mangan og 2 % nikkel. En tilsvarende legering med 8 % mangan og 2 % nikkel var magnetisk, og en legering med 8 % mangan og h % nikkel var manganese and 0.5% nickel, h% manganese and 2% nickel and 6% manganese and 2% nickel. A corresponding alloy with 8% manganese and 2% nickel was magnetic, and an alloy with 8% manganese and h% nickel was

svakt magnetisk. En tilsetning av 10 % mangan og 6 % nikkel ga. imidlertid et umagnetisk stål. En stållegering inneholdende 0,3 % karbon, 7,3 i° mangan og 4,7 % nikkel ga ved rbntgenanalyse et ferrittinnhold (martensittinnhold) av ca. 10 $. weakly magnetic. An addition of 10% manganese and 6% nickel gave however, a non-magnetic steel. A steel alloy containing 0.3% carbon, 7.3% manganese and 4.7% nickel gave a ferrite content (martensite content) of approx. 10$.

Det fremgår av de nevnte forsok et det for stål ifolge oppfinnelsen med 0,8 $ karbon fåes en stabil austenittstruktur ved et innhold av under 4 i° mangan og 2 ^ nikkel, og for stål ifolge oppfinnelsen med 0,3 °/ ° karbon ved et innhold av under 7 i° mangan og under 5 % nikkel. It appears from the aforementioned experiments that for steel according to the invention with 0.8% carbon, a stable austenite structure is obtained at a content of less than 4% manganese and 2% nickel, and for steel according to the invention with 0.3% carbon at a content of less than 7% manganese and less than 5% nickel.

Den for hardheten avgjbrende utskilningsherding skyldes i vesentlig grad tilsetningen av vanadium, og utskilningen av vana-diumkarbid er derved antagelig av stor betydning. Disse vanadium-karbider, spesielt de som ikke opploses ved opplosningsbehandlingen, innvirker også meget fordelaktig på legeringens slitestyrke. Under-søkelser har vist at vanadiuminnholdet bor være minst 0,6 $, men ikke over 1,6% da dette medforer en reduksjon av formbarheten ved en hoy temperatur. The precipitation hardening that determines the hardness is largely due to the addition of vanadium, and the precipitation of vanadium carbide is therefore presumably of great importance. These vanadium carbides, especially those that do not dissolve during the dissolution treatment, also have a very beneficial effect on the wear resistance of the alloy. Investigations have shown that the vanadium content should be at least 0.6%, but not more than 1.6%, as this leads to a reduction in formability at a high temperature.

Tilsetningen av krom har også vist seg positivt å bidra til utskilningsherdingen og har dessuten en gunstig innflytelse på oxydasjonsbestandigheten. Også molybden og wolfram har en meget gunstig innflytelse på utskilningsherdingen og forbedrer dess- The addition of chromium has also been shown to positively contribute to precipitation hardening and also has a beneficial influence on oxidation resistance. Molybdenum and tungsten also have a very favorable influence on precipitation hardening and improve its

uten legeringens slitestyrke i påtagelig grad, og det har derfor vist seg nodvéndig å anvende molybden og wolfram i de angitte mengder i legeringen. Tilsetningen av niob har vist seg å gi en meget gunstig innvirkning på kornstbrrelsen og antagelig også på seighetsminimumet ved 500 - 700°C. Altfor hoye niobinnhold har imidlertid vist seg å nedsette utskilningsherdingen, og innhold over 0,6 % bor ikke anvendes. Et niobinnhold av 0,2 % synes å without the alloy's wear resistance to an appreciable degree, and it has therefore proved necessary to use molybdenum and tungsten in the specified amounts in the alloy. The addition of niobium has been shown to have a very favorable effect on the grain size and presumably also on the toughness minimum at 500 - 700°C. Excessively high niobium contents have, however, been shown to reduce precipitation hardening, and contents above 0.6% should not be used. A niobium content of 0.2% seems to

være det gunstigste for stålet ifolge oppfinnelsen. Endelig kan det nevnes at hva gjelder tilsetningen av bor, motvirker dette legeringselement dannelsen av et seighetsminimum ved 500-700°C, be the most favorable for the steel according to the invention. Finally, it can be mentioned that with regard to the addition of boron, this alloying element counteracts the formation of a toughness minimum at 500-700°C,

og det er da spesielt gunstig hva gjelder kontraksjon. Borinn-holdet bor imidlertid ikke være over ca. 0,02 # da dette vil gi en dårligere formbarhet ved hoy temperatur. Et borinnhold av ca. 0,01 % har vist seg å være det gunstigste for stålet ifolge oppfinnelsen. and it is then particularly beneficial when it comes to contraction. However, the Borinn holding should not exceed approx. 0.02 # as this will give poorer formability at high temperature. A boron content of approx. 0.01% has proven to be the most favorable for the steel according to the invention.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet under henvisning til The invention will be described in more detail with reference to

de i de etterfblgende tabeller angitte stållegeringer. Av tabellene the steel alloys specified in the following tables. Of the tables

viser tabell 1 sammensetningen til femten forskjellige stållegeringer som er blitt undersokt i forbindelse med oppfinnelsen, og tabell 2 viser disse stållegeringers hardhet ved værelsestemperatur etter forskjellige varmebehandlinger. I tabell 3 er hardheten ved forhoyet temperatur gjengitt og i tabell 4 forskjellige holdfasthetsegenskaper for enkelte av de undersokte stållegeringer. Tabell 5 viser kornstorrelsen til enkelte av de undersokte stål. table 1 shows the composition of fifteen different steel alloys which have been investigated in connection with the invention, and table 2 shows the hardness of these steel alloys at room temperature after various heat treatments. In table 3 the hardness at elevated temperature is reproduced and in table 4 different holding strength properties for some of the investigated steel alloys. Table 5 shows the grain size of some of the examined steels.

Det fremgår av tabell 1 at stålene 1, 2 og 3 faller utenfor de foreskrevne analysegrenser, og ifolge tabell 2 har de også en vesentlig lavere hardhet ved værelsestemperatur enn de ovrige stål, og de oppfyller således ikke de oppstilte krav. It appears from table 1 that steels 1, 2 and 3 fall outside the prescribed analysis limits, and according to table 2 they also have a significantly lower hardness at room temperature than the other steels, and thus do not meet the stated requirements.

En sammenligning mellom stålene 3,4 og 5 i tabell 2 til-kjennegir virkningen av en variasjon av vanadiuminnholdet og dette legeringselements meget kraftige virkning ved utskilningsherdingen. Innvirkningen av molybden og wolfram fremgår av en sammenligning mellom stålene 1, 4 og 2, 6 i tabell 2, og denne sammenligning viser at også disse elementer har en meget gunstig innvirkning på utskilningsherdingen. A comparison between steels 3, 4 and 5 in Table 2 reveals the effect of a variation of the vanadium content and the very powerful effect of this alloying element in precipitation hardening. The impact of molybdenum and tungsten can be seen from a comparison between steels 1, 4 and 2, 6 in table 2, and this comparison shows that these elements also have a very favorable effect on precipitation hardening.

Niobtilsetningens innvirkning på utskilningsherdingen fremgår av stålene 6-9. I stålet 9 er niobinnholdet hbyere enn den ovre grense ifolge oppfinnelsen, og det vil fremgå at dette niobinnhold har gitt en nedsatt hardhet. The effect of the addition of niobium on the precipitation hardening can be seen in steels 6-9. In the steel 9, the niobium content is higher than the upper limit according to the invention, and it will appear that this niobium content has given a reduced hardness.

Det har ved praktisk anvendelse av stål ifolge oppfinnelsen vist seg at en matrise for ekstrudering av en legering bestående av 0,12 io karbon, 0,35 % silisium, 0,03 % kobber, 0,21 % jern, 0,26 % mangan, 15,1 % krom, 1,18 % titan, 4,71 % aluminium, 20,1 % kobolt, 4,93 i" molybden, 0,009 % bor og resten nikkel kunne anvendes for 130 ekstruderinger som middelverdi av seks forskjellige ekstruderingsserier. Ved undersøkelser som er blitt utfort i årene 1966 - 67 med to i denne forbindelse ofte anvendte, martensittiske legeringer inneholdende 0,36 % karbon, 0,3 "/ > silisium, 2,8 % krom, 2,8 # molybden, 2,8 # kobolt, 0,5 % vanadium og 0,4 % karbon, 0,3 % silisum, 2,8 % krom, 1,5 °/ ° molybden, 5,0 % wolfram, 2,2 % kobolt og 1 % vanadium ble de tilsvarende middel-verdier bare 80 ekstruderinger pr. matrise. In the practical application of steel according to the invention, it has been shown that a matrix for extruding an alloy consisting of 0.12 io carbon, 0.35% silicon, 0.03% copper, 0.21% iron, 0.26% manganese . In investigations that have been carried out in the years 1966 - 67 with two commonly used in this connection, martensitic alloys containing 0.36% carbon, 0.3 "/> silicon, 2.8% chromium, 2.8 # molybdenum, 2, 8 # cobalt, 0.5% vanadium and 0.4% carbon, 0.3% silicon, 2.8% chromium, 1.5 °/ ° molybdenum, 5.0% tungsten, 2.2% cobalt and 1% vanadium, the corresponding average values were only 80 extrusions per matrix.

Ved ekstruderinger med matriser ev det nevnte martensittiske stål er riper blitt iakttatt i de ekstruderte emner allerede During extrusions with matrices or the aforementioned martensitic steel, scratches have already been observed in the extruded items

etter ca. 10 ekstruderinger, mens det ved ekstruderinger med matriser av stål ifolge oppfinnelsen oppstod tilsvarende riper forst etter ca. 100 ekstruderinger. Dette viser klart det sistnevnte ståls overlegne slitestyrke. Sprekker i selve matrisen som forer til vraking av disse, er i en rekke tilfeller blitt iakttatt i forbindelse med de martensittiske stål, men ikke i noen tilfeller i forbindelse med stålet ifolge oppfinnelsen. after approx. 10 extrusions, while in extrusions with matrices of steel according to the invention, corresponding scratches only occurred after approx. 100 extrusions. This clearly shows the superior wear resistance of the latter steel. Cracks in the matrix itself, which lead to their breaking, have in a number of cases been observed in connection with the martensitic steels, but not in some cases in connection with the steel according to the invention.

Stålet ifolge oppfinnelsen har derfor ved praktiske drifts-forsok vist seg å ha en vesentlig hoyere slitestyrke og slitasjebestandighet enn- tidligere for dette formål vanlig anvendte stål-kvaliteter . The steel according to the invention has therefore, in practical operational tests, been shown to have a significantly higher abrasion resistance and abrasion resistance than the steel grades commonly used for this purpose.

Det fremgår klart av tabellene 2, 3 og h at et stål ifolge oppfinnelsen etter opplbsningsbehandling ved ca. 1150°C og utskilningsherding ved 700°C får en Vickershardhet ved værelsetemperatur av over ^20 og dessuten en god holdfasthet ved hoy temperatur, en tilfredsstillende seighet og en god slitestyrke. Videre er det blitt oppnådd en Vickershardhet ved forhoyet temperatur av minst 2^-0 ved 700°C. Det har hittil ikke vært mulig å oppnå denne gode kombinasjon av egenskaper ved anvendelse av kjente martensittiske varmarbeidsstål eller ikke-kaldbearbeidede austenittiske varmarbeidsstål. It is clear from tables 2, 3 and h that a steel according to the invention after dissolution treatment at approx. 1150°C and precipitation hardening at 700°C results in a Vickers hardness at room temperature of over ^20 and also a good holding strength at high temperature, a satisfactory toughness and a good wear resistance. Furthermore, a Vickers hardness at elevated temperature of at least 2^-0 at 700°C has been achieved. It has so far not been possible to achieve this good combination of properties by using known martensitic hot work steels or non-cold worked austenitic hot work steels.

Det er dessuten blitt utfort en forsoksserie for å sammenligne virkningene av forskjellige borinnhold på den samme grunnlegering ifolge oppfinnelsen med en sammensetning som vist i tabell 6. Det fremgår av tabell.7 at bor i en mengde av 0,01 - 0,02 % har en meget gunstig innvirkning på stålets varmduktilitet som uttrykt ved kontraksjonen under bibeholdelse av meget gode varmholdfasthets-egenskaper og, som vist i tabell 8, en hardhet over ^20 ved værelsetemperatur. A series of experiments has also been carried out to compare the effects of different boron contents on the same base alloy according to the invention with a composition as shown in table 6. It appears from table 7 that boron in an amount of 0.01 - 0.02% has a very favorable effect on the steel's hot ductility as expressed by the contraction while maintaining very good heat retention properties and, as shown in Table 8, a hardness above ^20 at room temperature.

Claims

1. Precipitation hardening, austenitic steel with a Vickers hardness at room temperature of over *+20 units, good hardness at elevated temperature, good wear resistance and good toughness at both room temperature and elevated temperature, characterized by the fact that the alloy contains: and the rest iron and, in the steel type, common impurities, the content of manganese and nickel being chosen in such a way that the achievement of a stable austenite structure is ensured.

2. Steel according to claim 1, characterized in that it contains the following alloying elements: