PL198295B1

PL198295B1 - Stal do pracy na zimno, sposób jej wytwarzania oraz jej zastosowanie

Info

Publication number: PL198295B1
Application number: PL364435A
Authority: PL
Inventors: Odd Sandberg; Lennart Jönsson; Magnus Tidesten
Original assignee: Uddeholm Tooling Ab
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2008-06-30
Also published as: SE519278C2; CN1537176A; US7297177B2; WO2003000944A1; ES2296931T3; DE60224528D1; ATE383451T1; CN1230568C; JP2004530794A; PL364435A1; BR0210339B1; CA2448799A1; DK1397524T3; KR100909922B1; KR20040003067A; SE0102233L; TW574379B; CA2448799C; RU2290452C9; SE0102233D0

Abstract

Stal do pracy na zimno posiada następujący skład chemiczny w % wagowych: 1.25-1.75 (C+N), jednak przynajmniej 0.5 C; 0.1-1.5 Si, 0.1-1.5% Mn, 4.0-5.5 Cr, 2.5-4.5% (Mo+W/2), jednak maksymalnie 0.5% W; 3.0-4.5% (V+Nb/2), jednak maksymalnie 0.5% Nb; maksymalnie 0.3% S i dopełnienie w postaci żelaza i nieuniknionych zanieczyszczeń oraz mikrostrukturę, która po hartowaniu i odpuszczaniu stali zawiera 6-13% objętościowych węglików, azotków i/lub węglikoazotków MX bogatych w wanad, które równomiernie rozproszone są w matrycy stali, gdzie X oznacza węgiel i/lub azot, przy czym przynajmniej 90% wspomnianych węglików, azotków i/lub węglikoazotków ma średnicę równoważną D<sub>eq</sub> mniejszą niż 3.0 <$Emu>m i łącznie maksymalnie 1% objętościowy innych możliwie występujących węglików azotków lub węglikoazotków.

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy stali do pracy na zimno, tzn. stali przeznaczonej do stosowania przy obróbce materiału, znajdującego się w zimnym stanie. Typowymi przykładami stosowania stali są narzędzia do cięcia (wycinania) i wykrawania (przebijania otworów), gwintowania, np. szczęki płaskie do walcowania gwintów i gwintowniki, narzędzia do wytłaczania na zimno, prasowania proszków, głębokiego ciągnienia i noże do cięcia maszynowego. Wynalazek dotyczy także zastosowania stali do wytwarzania narzędzi do pracy na zimno, wytwarzania stali i narzędzi wykonanych ze stali.

Stali do pracy na zimno o wysokiej jakości stawia się szereg wymagań, obejmujących odpowiednią twardość dla danego zastosowania, dużą odporność na zużywanie się i dużą wiązkość. Dla optymalnego zachowania się narzędzi istotna jest zarówno duża odporność na zużycie, jak i dobra wiązkość. Vanadis^® 4 jest metalurgicznym proszkiem stali na wysoko sprawne narzędzia do pracy na zimno, wytwarzanym i sprzedawanym przez zgłaszającego, oferującym wyjątkowo dobrą kombinację odporności na zużycie i wiązkości. Ta stal ma następujący nominalny skład w % wagowych: 1,5 C; 1,0 Si; 0,4 Mn; 8,0 Cr; 1,5 Mo; 4,0 V a uzupełnienie stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia. Stal ta nadaje się szczególnie do zastosowań, gdzie dominującym problemem są zużycie adhezyjne i lub wykruszanie się, tzn. przy pracy z miękkimi/przywierającymi współpracującymi materiałami, takimi jak austenityczna stal nierdzewna, stal nisko-węglowa, aluminium, miedź itd., a także z gęstszymi obrabianymi materiałami. Typowymi przykładami narzędzi do pracy na zimno, gdzie ta stal może być stosowana, są narzędzia, które zostały wymienione w preambule. Generalnie mówiąc, będąca przedmiotem szwedzkiego patentu nr SE-457356 stal określana poniżej mianem Vanadis^® 4 odznacza się dobrą odpornością na zużycie, wysoką wytrzymałością na ściskanie, dobrą hartownością, bardzo dobrą wiązkością, bardzo dobrą trwałością wymiarów i dobrą odpornością na odpuszczanie przy poddawaniu obróbce cieplnej, przy czym te wszystkie cechy są bardzo ważne dla wysokosprawnej stali do pracy na zimno.

Zgłaszający opracowali także stal według opisu patentowego WO-01/25499, mającą następujący skład chemiczny w % wagowych: 1,0-1,9 C; 0,5-2,0 Si; 0,1-1,5 Mn; 4,0-5,5 Cr; 2,5-4,0 (Mo+W/2), jednak maksymalnie 1,0% W; 2,0-4,5% (V+Ni/2) jednak maksymalnie 1,0% Ni, reszta żelazo i zanieczyszczenia, o mikrostrukturze stali, która w stanie utwardzonym i odpuszczonym zawiera 5-12% objętościowych węglików MC, z których przynajmniej 50% objętościowych ma wymiary większe niż μm, lecz mniejsze niż 25 μm. Tę mikrostrukturę otrzymuje się przez formowanie natryskowe bloku. Skład i mikrostruktura pozwalają uzyskać postać stali odpowiednią na rolki do walcowania na zimno, włącznie z odpowiednią wiązkością i odpornością na zużycie. Ponadto stal szybkotnąca wytwarzana w konwencjonalny sposób przez odlewanie bloków ujawniona została w opisie patentowym EP-0 630 984 A1. Zgodnie z opisanym tam przykładem stal zawierała 0,69% C; 0,80% Si; 0,30% Mn; 5,07% Cr; 4,03% Mo; 0,98% V; 0,041% N i uzupełnienie w postaci żelaza. Ta stal, której mikrostruktura została także pokazana w dokumencie patentowym, po ulepszaniu cieplnym zawierała łącznie 0,3% objętościowych węglików typu M2C i M6C oraz 0,8% objętościowych węglików typu MC. Ten ostatni miał zasadniczo kulisty kształt i duże wymiary, typowe dla stali o dużej zawartości wanadu wytwarzanej w konwencjonalny sposób, obejmujący odlewanie. Mówi się, że ta stal jest odpowiednia do „plastycznej przeróbki.

Wyżej wymieniona stal Vanadis^® 4 jest wytwarzana już od 15 lat i ze względu na jej doskonałe własności zajmuje wiodącą pozycję na rynku wysokosprawnych stali do obróbki na zimno. Obecnie nowym dążeniem zgłaszającego jest zaoferowanie wysokosprawnej stali do obróbki na zimno mającej jeszcze lepszą wiązkość niż Vanadis^® 4, z utrzymaniem lub polepszeniem innych własności w porównaniu do Vanadis^® 4. Dziedzina zastosowania stali według wynalazku jest zasadniczo taka sama jak dla Vanadis^® 4.

Przedmiotem wynalazku jest stal do pracy na zimno według wynalazku mająca następujący skład chemiczny w % wagowych: 1,25-1,75% (C+N) przy czym maksymalnie 0,12% N; 0,1-1,5% Si; 0,1-1,5% Mn; 4,5-5,5% Cr; 3,0-4,5% (Mo+W/2), przy czym maksymalnie 0,5% W; 3,0-4,5% (V+Nb/2), przy czym maksymalnie 0,5% Nb, maksymalnie 0,3% S a dopełnienie stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia, oraz mikrostrukturę, która po hartowaniu i odpuszczaniu stali zawiera 6-13% objętościowych węglików i/lub węglikoazotków MX bogatych w wanad, równomiernie rozproszonych w osnowie stali, gdzie X oznacza węgiel i/lub azot, przy czym przynajmniej 90% objętościowych wspomnianych węglików i/lub węglikoazotków ma średnicę równoważną D_eq mniejszą niż 3,0 μm i całkowitą ilość innych możliwie występujących węglików, azotków i/lub węglikoazotków wynoszącą maksymalnie 1% objętościowy.

PL 198 295 B1

Osnowa stali według wynalazku w stanie zahartowanym składa się zasadniczo tylko z martenzytu, który zawiera 0,3-0,7%, korzystnie 0,4-0,6% C w postaci stałego roztworu. Jeszcze korzystniej, osnowa po hartowaniu i odpuszczaniu ma twardość 54-66 HRC, korzystniej 58-63 HRC a najkorzystniej 60-63 HRC.

Węgliki mają głównie okrągły lub zaokrąglony kształt, lecz indywidualnie mogą występować węgliki wydłużone. Średnica równoważna D_eq jest zdefiniowana w niniejszym opisie jako D_eq = 2/A/π , gdzie A jest powierzchnią cząstki węglika w badanym przekroju. Korzystnie przynajmniej 98% objętościowych wspomnianych węglików i/lub węglikoazotków typu MX ma średnicę równoważną Deq mniejszą niż 3,0 μm, a jeszcze korzystniej mniejszą niż 2,5 μm. Typowo węgliki/węglikoazotki są także zaokrąglone w tak dużym stopniu, że w badanym przekroju nie występują węgliki o rzeczywistej długości przekraczającej 3,0 μm.

Korzystnie stal według wynalazku zawiera 7-11% objętościowych węglików i/lub węglikoazotków MX, w których M stanowi zasadniczo wanad zaś X oznacza węgieł i/lub azot.

Ponadto w korzystnym wykonaniu stal zawiera 1,35-1,60% (C+N), korzystniej 1,45-1,50% (C+N).

W korzystnej postaci wynalazek dostarcza stali zawierającej maksymalnie 0,10% N.

W innej korzystnej postaci wykonania stal według wynalazku zawiera 0,1-1,2%, korzystnie 0,2-0,9% Si.

Ponadto, korzystnie stal zawiera 0,1-1,3%, korzystniej 0,1-0,9% Mn.

W innym korzystnym wykonaniu stal według wynalazku zawiera 4,5-5,2% Cr.

W jeszcze innym korzystnym wykonaniu stal według wynalazku zawiera 3.0-4.0% (Mo+W/2), przy czym korzystniej zawiera maksymalnie 0,3% W, jeszcze korzystniej maksymalnie 0,1% W.

W kolejnym korzystnym wykonaniu stal według wynalazku zawiera 3,4-4,0% (V+Nb/2) przy czym korzystnie zawiera maksymalnie 0,3% Nb, korzystniej maksymalnie 0,1% Nb.

W innej postaci wykonania wynalazku stal zawiera maksymalnie 0,15% S, korzystnie maksymalnie 0,02% S.

Ponadto, wynalazek dostarcza stali o następującym składzie chemicznym w % wagowych: 1,25-1,75% (C+N) przy czym maksymalnie 0,12% N; 0,1-1,5% Si; 0,1-1,5% Mn; 4,5-5,5% Cr, 3,0-4,5% (Mo+W/2), przy czym maksymalnie 0.5% W; 3,0-4,5% (V+Nb/2), przy czym maksymalnie 0,5% Nb, maksymalnie 0,3% S a dopełnienie stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia, która w warunkach po wyżarzaniu zmiękczającym ma osnowę ferrytyczna zawierającą 8-15% objętościowych węglików i/lub węglikoazotków MX bogatych w wanad, przy czym przynajmniej 90% wspomnianych węglików i/lub węglikoazotków ma średnicę równoważną mniejszą niż 3,0 μm i korzystnie także mniejszą niż 2.5 Lim i maksymalnie 3% objętościowych innych węglików, azotków lub węglikoazotków.

Wynalazek dostarcza także sposobu wytwarzania stali według wynalazku metodą metalurgii proszkowej, który to sposób obejmuje etap w którym ze stopionego metalu wytwarza się proszek i proszek prasuje się izostatycznie na gorąco w temperaturze między 950 a 1200°C i pod ciśnieniem miedzy 90 a 150 MPa do zwartego ciała.

Korzystnie, po prasowaniu izostatycznym na gorąco stosuje się obróbkę plastyczną na gorąco w temperaturze między 1050 a 1150°C.

Jeszcze korzystniej sposób według wynalazku obejmuje hartowanie w temperaturze między 940 a 1150°C i odpuszczanie w temperaturze między 200 a 250°C lub w temperaturze między 500 a 560°C.

Stal według wynalazku znajduje zastosowanie w wytwarzaniu narzędzi do cięcia, wycinania i/lub wykrawania (perforowania) w warunkach obróbki materiału na zimno lub do prasowania proszku metali.

Jeśli inaczej nie podano, zawsze % wagowy odnosi się do składu chemicznego a % objętościowy odnosi się do składu strukturalnego stali.

Tak więc, w odniesieniu do indywidualnych pierwiastków stopowych i ich wzajemnych stosunków, struktury stali według wynalazku oraz jej obróbki cieplnej, obowiązuje co następuje.

Węgiel powinien występować w stali w wystarczającej ilości dla utworzenia w stanie po ulepszaniu cieplnym, w kombinacji z azotem, wanadem i występującym ewentualnie niobem oraz w pewnym stopniu i innymi metalami, 6-13% objętościowych, korzystnie 7-11% objętościowych, węglików lub węglikoazotków typu MX i występowania także w postaci stałego roztworu w osnowie stali po zahartowaniu w ilości 0,3-0,7, korzystnie 0,4-0,6% wagowych. Tak więc odpowiednio zawartość rozpuszczonego węgla w osnowie stali wynosi około 0,53%. Całkowita ilość węgla i azotu w stali, obejmująca węgiel rozpuszczony w osnowie stali plus węgiel związany w węglikach, azotkach i węglikoazotkach.

PL 198 295 B1 tzn. (C+N) powinna wynosić przynajmniej 1,25, korzystnie przynajmniej 1,35%, podczas gdy maksymalna zawartość C+N może wynosić do 1,75%, korzystnie maksymalnie do 1,60% i jeszcze korzystniej do 1,50%.

Zgodnie z postacią wykonania wynalazku stal nie zawiera więcej azotu, niż będzie to nieuniknione w stali ze względu na pobieranie ze środowiska i/lub dostarczanie wraz z surowcami, tzn. maksymalnie około 0,12%, korzystnie maksymalnie około 0,10%. Jednak zgodnie z inną możliwą postacią wykonania, stal może zawierać większą zawartość azotu dodanego celowo, który można wprowadzać przez azotowanie w fazie stałej stali w proszku, co jest stosowane podczas wytwarzania stali. W tym przypadku główna część C+N może składać się z azotu, co narzuca, że wspomniane cząstki MX w tym przypadku skł adają się gł ównie z wę glikoazotków wanadu, w którym azot jest zasadniczym składnikiem razem z wanadem lub nawet składają się z czystych azotków wanadu, podczas gdy węgiel w stali ulepszanej występuje tylko jako składnik rozpuszczony w osnowie stali.

Krzem zawarty jest jako pozostałość z wytwarzania stali w ilości przynajmniej 0,1%, zwykle w ilości przynajmniej 0,2%. Krzem zwiększa aktywność węgla w stali, a więc przyczynia, się do uzyskiwania odpowiedniej twardości przez stal. Jeśli zawartość krzemu jest zbyt duża, mogą pojawić się problemy z kruchością podczas utwardzania roztworowego, tak więc maksymalna zawartość krzemu w stali wynosi 1,5%, korzystnie maksymalnie 1,2% a jeszcze korzystniej maksymalnie 0,9%.

Mangan, chrom i molibden powinny występować w stali w ilości wystarczającej do nadania stali odpowiedniej hartowności. Mangan spełnia także funkcję wiązania tej ilości siarki, która może występować w stali, tworząc siarczki manganu. Mangan powinien więc znajdować się w stali w ilości 0,1-1,5%, korzystnie w ilości 0,1-1,3, korzystniej 0,1-0,9%.

Chrom, dla nadania stali żądanej hartowności, powinien występować w ilości przynajmniej 4,5% w kombinacji w pierwszym rzę dzie z molibdenem lecz tak ż e manganem. Zawartość chromu nie moż e jednak przekraczać 5,5%, korzystnie nie powinna przekraczać 5,2%, aby w stali nie tworzyły się niepożądane węgliki chromu.

Molibden powinien występować w ilości przynajmniej 2,5%, w celu nadania stali odpowiedniej hartowności pomimo ograniczonej zawartości manganu i chromu, którą odznacza się stal. Korzystnie stal powinna zawierać przynajmniej 2,8%, odpowiednio przynajmniej 3,0% molibdenu. Maksymalnie stal może zawierać 4,5%, korzystnie maksymalnie 4,0% molibdenu, a to w tym celu, aby stal nie zawierała niepożądanych węglików M6C zamiast żądanej ilości węglików MC. Wyższe zawartości molibdenu mogą dodatkowo powodować niepożądaną stratę molibdenu przez utlenianie podczas wytwarzania stali. W zasadzie molibden może być całkowicie lub częściowo zastąpiony wolframem, lecz w tym wypadku wymagane jest dwa razy tyle wolframu niż molibdenu, co stanowi wadę . Takż e i jakiekolwiek odpady, które mogą powstawać w procesie wytwarzania stali lub podczas wytwarzania wyrobów ze stali, będą mniej wartościowe do recyklingu, jeśli stal zawiera duże ilości wolframu. Tak więc wolfram nie powinien znajdować się w ilości większej niż maksymalnie 0,5%, korzystnie maksymalnie 0,3% a odpowiednio maksymalnie 0,1%. Najkorzystniej stal nie powinna zawierać celowo dodawanego wolframu, który zgodnie z najbardziej korzystną postacią wykonania nie powinien być tolerowany bardziej, niż jako zanieczyszczenie w postaci pierwiastka resztkowego z surowców, które zostały użyte do wytwarzania stali.

Wanad powinien występować w stali w ilości przynajmniej 3,0%, lecz nie większej niż 4,5%, korzystnie przynajmniej 3,4% i maksymalnie 4,0%, dla wytworzenia wraz z węglem i azotem wspomnianych węglików i węglikoazotków typu MX w całkowitej ilości 6-13%, korzystnie 7-11% objętościowych w stali w postaci po ulepszaniu cieplnym. W zasadzie wanad moż e być zastą piony niobem, lecz wymaga to dwa razy tyle niobu, co wanadu, co stanowi wadę. Ponadto niob może powodować, że węgliki, azotki i/lub węglikoazotki uzyskają bardziej kanciastą strukturę i będą większe niż czyste węgliki, azotki i/lub węglikoazotki wanadu, co może inicjować spękania lub przemieszczenia a więc zmniejszenie wiązkości materiału. Niob nie może więc znajdować się w ilości przekraczającej 0,5%, korzystnie maksymalnie 0,3% a odpowiednio maksymalnie 0,1%. Najkorzystniej stal nie powinna zawierać celowo dodanego niobu, który zgodnie z najbardziej korzystną postacią wykonania nie powinien być tolerowany bardziej niż jako zanieczyszczenie w postaci pierwiastka resztkowego z surowców, które zostały użyte do wytwarzania stali.

Zgodnie z pierwszą postacią wykonania siarka może występować jako zanieczyszczenie w ilości nie większej niż 0,03%. W celu polepszenia obrabialności stali jest jednak możliwe, żeby stal zgodnie z tą postacią wykonania zawierała celowo dodaną siarkę w ilości maksymalnie do 0,3%, korzystnie maksymalnie do 0,15%, jeszcze korzystniej 0,02%.

PL 198 295 B1

W warunkach po wyż arzaniu zmię kczają cym, stal ma osnowę ferrytyczną zawierają c ą 8-15% objętościowych węglików i/lub węglikoazotków MX bogatych w wanad, przy czym przynajmniej 90% wspomnianych węglików i/lub węglikoazotków ma średnicę równoważną mniejszą niż 3,0 μm i korzystnie także mniejszą niż 2,5 um i maksymalnie 3% objętościowych innych węglików, azotków lub węglikoazotków.

Podczas wytwarzania stali najpierw przygotowuje się pierwszą masę stopionej stali, zawierającą zamierzone ilości węgla, krzemu, manganu, chromu, molibdenu, ewentualnie wolframu, wanadu, ewentualnie niobu, ewentualnie siarki w ilości powyżej poziomu zanieczyszczeń, azotu w nieuniknionym stopniu i reszty stanowiącej żelazo i zanieczyszczenia. Z tego stopionego materiału wytwarza się proszek metodą rozpylania za pomocą gazowego azotu. Krople tworzone podczas atomizacji gazem schładza się bardzo szybko tak, że utworzone węgliki wanadu i/lub mieszane węgliki wanadu i niobu nie mają wystarczającego czasu do wzrostu lecz pozostają wyjątkowo cienkie, o grubości tylko ułamków mikrometra i uzyskują wyraźnie nieregularny kształt, co jest spowodowane faktem, że węgliki strącają się w pozostałych obszarach zawierających stopiony materiał w siatce dendrytów w szybko zestalających się kroplach, zanim krople całkowicie zestalą się do postaci ziaren proszku. Jeśli stal powinna zawierać azot powyżej nieuniknionej granicy zanieczyszczeń, wprowadzanie azotu powinno być realizowane przez azotowanie proszku, np. w sposób opisany w szwedzkim opisie patentowym SE 462 837.

Po przesianiu, które powinno być przeprowadzone przed azotowaniem, jeśli proszek powinien być azotowany, proszek powinien być napełniony do kapsuł, które poddaje się odpowietrzaniu, zamknięciu i izostatycznemu prasowaniu na gorąco metodą HIP, w sposób znany sam przez się, w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, 950-1200°C i pod ciśnieniem 90-150 MPa, typowo w temperaturze około 1150°C i pod ciśnieniem 100 MPa tak, że proszek łączy się tworząc całkowicie zwarte ciało.

Dzięki operacji HIP węgliki/węglikoazotki uzyskują bardziej regularny kształt niż w proszku. Znaczna większość, w odniesieniu do objętości, ma wymiary maksymalnie około 1,5 um i zaokrąglony kształt. Poszczególne cząstki są jeszcze wydłużone i nieco dłuższe, maksymalnie do około 2,5 um. Przekształcenie związane jest prawdopodobnie z kombinacją rozbijania bardzo cienkich cząstek w proszku z jednej strony, a z drugiej strony z aglomeracją.

Stal może być stosowana w stanie po operacji HIP. Jednak zwykle stal obrabiana jest na gorąco po prasowaniu HIP metodą kucia i/lub walcowania na gorąco. Przeprowadza się to przy początkowej temperaturze między 1050 a 1150°C, korzystnie w temperaturze około 1100°C. Prowadzi to do dalszej aglomeracji a przede wszystkim globularyzacji (sferoidyzacji) węglików/węglikoazotków. Przynajmniej 90% objętościowych węglików po kuciu i/lub walcowaniu na gorąco ma wymiary maksymalne 2,5 um, korzystnie maksymalnie 2,0 um.

Aby stal nadawała się do obróbki za pomocą narzędzi tnących musi być najpierw poddana wyżarzaniu zmiękczającemu. Jak wskazano powyżej w celu zahamowania wzrostu węglików/azotków/węglikoazotków prowadzi się to w temperaturze poniżej 950°C a korzystnie około 900°C. Materiał poddany wyżarzaniu zmiękczającemu odznacza się więc rozproszeniem bardzo subtelnie rozdrobnionych cząstek MX w osnowie ferrytycznej, która zawiera 8-15% węglików i/lub węglikoazotków, z których przynajmniej 90% objętościowych ma średnicę równoważną mniejszą niż 3,0 um i które korzystnie są także mniejsze niż 2,5 um i maksymalnie 3% objętościowych innych węglików, azotków i/lub węglikoazotków.

Po uzyskaniu gotowego kształtu przez obróbkę skrawaniem, narzędzie poddaje się hartowaniu i odpuszczaniu. Austenityzowanie prowadzi się w temperaturze między 940 a 1150°C, korzystnie w temperaturze poniżej 1100°C, w celu uniknięcia niepożądanie dużego rozpuszczania się węglików i/lub węglikoazotków typu MX. Odpowiednia temperatura austenityzowania wynosi 1000-1040°C. Odpuszczanie można prowadzić w temperaturze między 200 a 560°C, albo jako odpuszczanie niskotemperaturowe w temperaturze między 200 a 250°C lub jako odpuszczanie wysokotemperaturowe w temperaturze między 500 a 560°C. Podczas austenityzowania węgliki i/lub węglikoazotki MX rozpuszczają się w pewnym stopniu tak, że mogą być wtórnie strącone podczas odpuszczania. W końcowym wyniku uzyskuje się mikrostrukturę typową dla wynalazku, a mianowicie strukturę składającą się z martenzytu z odpuszczania i 6-13% objętościowych, korzystnie 7-11% objętościowych węglików i/lub węglikoazotków typu MX, zawartych w martenzycie z odpuszczania, w których M zasadniczo składa się z wanadu a X oznacza węgiel i azot, korzystnie głównie węgiel, które to węgliki i/lub węglikoazotki w przynajmniej 90% objętościowych mają średnicę równoważną wynoszącą maksymalnie

PL 198 295 B1

2,5 μm, korzystnie maksymalnie 2,0 μm i maksymalnie 1% objętościowy możliwie wszystkich innych istniejących typów węglików, azotków i/lub węglikoazotków. Przed odpuszczaniem martenzyt zawiera 0,3-0,7, korzystnie 0,4-0,6% węgla w postaci stałego roztworu.

Dalsze cechy i postaci wykonania wynalazku staną się jasne z załączonych zastrzeżeń patentowych i następującego opisu przeprowadzonych doświadczeń.

W następującym opisie przeprowadzonych badań, będziemy powoływać się na załączone rysunki, w których:

fig. 1 pokazuje w bardzo dużym powiększeniu mikrostrukturę proszku metalu, który jest stosowany do wytwarzania stali według wynalazku;

fig. 2 pokazuje mikrostrukturę tego samego materiału stalowego po operacji HIP, jednak w mniejszym powiększeniu, fig. 3 pokazuje ten sam materiał stalowy z fig. 2 po kuciu, fig. 4 pokazuje mikrostrukturę materiału porównawczego po operacji HIP i kuciu, fig. 5 pokazuje mikrostrukturę stali według wynalazku po hartowaniu i odpuszczaniu, fig. 6 pokazuje mikrostrukturę materiału porównawczego po hartowaniu i odpuszczaniu, fig. 7 przedstawia wykres pokazujący twardość stali według wynalazku i twardość materiału porównawczego w funkcji temperatury austenityzacji, fig. 8 przedstawia wykres pokazujący twardość stali według wynalazku i twardość materiału porównawczego w funkcji temperatury odpuszczania, i fig. 9 pokazuje krzywe hartowności dla stali według wynalazku i dla stali porównawczej.

Skład chemiczny badanych stali przedstawiony został w tabeli. W tabeli, dla pewnych stali zawartość wolframu podana jest jak dla zanieczyszczeń pozostałych z surowców stosowanych do wytwarzania stali a więc jako nieuniknione zanieczyszczenie. Siarka, podana dla niektórych stali jest także zanieczyszczeniem. Stal zawiera także i inne zanieczyszczenia, które nie przekraczają normalnego poziomu zanieczyszczeń, a które nie są zamieszczone w tabeli. Dopełnienie stanowi żelazo. W tabeli 1 stale B i C mają skład chemiczny według wynalazku. Stale A, D, E i F są materiałami porównawczymi, bardziej szczegółowo typu Vanadis^® 4.

T a b e l a 1 - Skład chemiczny badanych stali w % wagowych

Stal	C	Si	Mn	S	Cr	Mo	W	V	N
A	1,56	0,92	0,40	n. a.	8,15	1,48	n. a.	3,89	0,067
B	1,55	0,89	0,44	n. a.	4,51	3,54	n. a.	3,79	0,046
C	1,37	0,38	0,37	0,015	4,81	3,50	0,10	3,57	0,064
D	1,55	1,06	0,44	0,015	7,95	1,59	0,14	3,87	0,107
E	1,55	1,04	0,41	0,016	7,95	1,49	0,14	3,72	0,088
F	1,53	1,05	0,40	0,015	7,97	1,50	0,06	3,84	0,088

n.a. - nie badano

Masy stopionej stali o składzie chemicznym podanym dla stali A-F w tabeli 1 wytwarzano zgodnie z konwencjonalną technologią metalurgicznego wytapiania. Proszki metali wytwarzano ze stopu materiału przez rozpylanie strumienia stopionego metalu za pomocą gazowego azotu. Utworzone krople bardzo szybko schładzano. Badano mikrostrukturę stali B. Strukturę tę pokazano na fig. 1. Jak to jest widoczne z tej figury stal zawiera bardzo cienkie i bardzo nieregularnie ukształtowane węgliki, które zostały strącone w pozostałych obszarach zawierających stopiony metal w siatce dendrytów.

W małej skali z proszków stali A i B wytworzono także materiał poddany obróbce prasowania HIP. Porcjami po 10 kg proszków każdej ze stali A i B napełniono kapsuły z arkuszy metalowych, które zostały zamknięte, odpowietrzone i ogrzane do około 1150°C, a następnie poddane izostatycznemu prasowaniu na gorąco (HIP) w temperaturze około 1150°C i pod ciśnieniem 100 MPa. Podczas operacji prasowania HIP początkowo uzyskana struktura węglików w proszku została rozbita a równocześnie nastąpiła aglomeracja węglików. Wynik uzyskany dla stali B poddanej operacji HIP jest widoczny na fig. 2. Węgliki dla stali poddanej prasowaniu HIP uzyskały bardziej regularny kształt, zbliżony do kształtu kulistego. Są one wciąż bardzo małe. Znaczna większość, więcej niż 90% objętościowych ma średnicę równoważną wynoszącą maksymalnie 2 um, korzystnie maksymalnie około 2,0 μm.

PL 198 295 B1

Kapsuły poddano następnie kuciu w temperaturze 1100°C do wymiarów 50x50 mm. Struktury materiału według wynalazku, stali B i materiału porównawczego, stali A po kuciu można zobaczyć odpowiednio na fig. 3 i 4. W materiale według wynalazku węgliki w postaci zasadniczo kulistych (globularnych) węglików MC są bardzo małe, wykazując w dalszym ciągu maksymalne wymiary około

2,0 μm średnicy równoważnej. W stali według wynalazku można było wykryć tylko kilka węglików innych typów, bardziej szczegółowo węglików bogatych w molibden, prawdopodobnie typu M6C. Całkowita ilość tych węglików była mniejsza niż 1% objętościowy. W materiale porównawczym, stali A z fig. 4, w drugiej strony frakcje objętościowe węglików MC i węglików bogatych w chrom typu M7C3 były w przybliżeniu równe. Ponadto wymiary węglików były znacznie większe niż w stali według wynalazku.

Następnie przeprowadzono badania w pełnej skali. Wytworzono proszki ze stali o składzie chemicznym według tabeli 1, stali C-F, w ten sam sposób jak to opisano wyżej. Ze stali C według wynalazku wytworzono półfabrykaty o masie 2 ton przez prasowanie HIP w znany sposób. W tym wypadku proszkiem napełniono kapsuły, które zostały zamknięte, odpowietrzone i ogrzane do około 1150°C a następnie poddane izostatycznemu prasowaniu na gorąco (HIP) w temperaturze około 1150°C i pod ciśnieniem 100 MPa. Ze stali porównawczych D, E i F wytworzono półfabrykaty metodą HIP sposobem praktykowanym przez zgłaszającego dla stali typu Vanadis^® 4. Półfabrykaty poddano kuciu i walcowaniu w temperaturze około 1100°C do następujących wymiarów: stal C 200x80 mm, stal D 152x102 mm i stal E do Φ125 mm.

Z materiału po wyżarzaniu zmiękczającym w 900°C pobrano próbki materiałów. Warunki obróbki cieplnej hartowania i odpuszczania przedstawione zostały w tabeli 2. Badano mikrostruktury stali C i F w stanie zahartowanym i odpuszczonym i zostały one pokazane na fig. 5 i 6. Stal według wynalazku, z fig. 5, zawierała 9,5% objętościowych węglików MC w osnowie składającej się z odpuszczanego martenzytu. Było bardzo trudno wykryć jakiekolwiek węgliki i węglikoazotki innego typu niż węgliki MC. W każdym razie, ilość takich możliwych dalszych węglików, np. węglików M7C3,była mniejsza niż 1% objętościowy. W stali według wynalazku po hartowaniu i utwardzaniu można było wykryć okazjonalne węgliki mające średnicę równoważną większą niż 2,0 um, lecz nie było tam węglików większych niż 2,5 um.

Materiał porównawczy, stal F z fig. 6 po hartowaniu i odpuszczaniu zawierał łącznie około 13% objętościowych węglików, z których około 6,5% objętościowych stanowiły węgliki MC i około 6,5% objętościowych węgliki M7C3.

Twardość otrzymywana po ulepszaniu cieplnym podanym w tabeli 2 została także podana w tabeli 2. Stal C według wynalazku po hartowaniu i odpuszczaniu uzyskała twardość 59,8 HRC, podczas gdy stale porównawcze D i G uzyskały odpowiednio twardość 58,5 i 61,7 HRC.

Badano także twardości stali C i D, które mogą być uzyskiwane po hartowaniu w różnych temperaturach i odpuszczaniu w różnych temperaturach. Wyniki są widoczne z krzywych na fig. 7 i 8. Stal C według wynalazku, fig. 7 wykazuje twardość mało zależną od temperatury austenityzacji. Jest to korzystne, ponieważ umożliwia to stosunkowo niską temperaturę austenityzacji. Najbardziej odpowiednią temperaturą austenityzacji jest z kolei 1020°C, podczas gdy stal porównawcza musi być ogrzewana do około 1060-1070°C dla uzyskania największej twardości.

Jak to jest widoczne z fig. 8, stal C według wynalazku ma także znacznie lepszą odporność na odpuszczanie niż stal porównawcza D. Wyraźne drugorzędowe utwardzanie uzyskano przez odpuszczanie w temperaturze między 500-550°C. Stal daje także możliwość odpuszczania w niskich temperaturach około 200-250°C.

Badano wytrzymałość stali C i D na uderzenia. Zaabsorbowana energia uderzenia (J) w kierunku LT2 wynosiła 102 J dla stali C według wynalazku, tzn. nastąpiło wyjątkowo duże polepszenie w porównaniu z twardością 60 J, którą otrzymano dla materiału porównawczego, stali D. Próbki do badań składały się z mielonych i walcowanych próbnych kęsów bez karbu o wymiarach 7x10 mm i długości 55 mm, hartowanych do twardości według tabeli 2.

Podczas badań zużycia stosowano próbki do badań o wymiarach Φ 15 mm i długości 20 mm. Badanie przeprowadzano metodą sworzeń na sworzeń z zastosowaniem SiO2 jako materiału ściernego powodującego zużycie. Stal C według wynalazku miała mniejszą szybkość zużywania się

8,3 mg/min, niż materiał porównawczy stal E, dla której szybkość zużywania się była wyższa, 10,8 mg/min, tzn. odporność materiału na zużycie była mniejsza.

PL 198 295 B1

T a b e l a 2

Stal	Obróbka ulepszania	Twardość (HRC)	Energia udaru w kierunku LT2 dla próbki bez karbu (J)	Szybkość zużycia (mg/min)
C	1020°C/30 min + 550°C/2x2h	59,8	102	8,3
D	1020°C/30 min + 525°C/2x2h	58,5	60
E	1050°C/30 min + 525°C/2x2h	61,7		10,8

Badano hartowność stali C według wynalazku i stali typu Vanadis^® 4 wytwarzanej w pełnej skali produkcyjnej. Temperatura austenityzacji TA w obu wypadkach wynosiła 1020°C. Próbki schładzano z różnymi szybkościami schładzania, które były regulowane za pomocą mniej lub bardziej intensywnego chłodzenia gazowym azotem od temperatury austenityzacji, TA=1020°C do temperatury pokojowej. Mierzono czas wymagany do schłodzenia od 800°C do 500°C oraz twardość próbek, które były poddawane chłodzeniu z różną szybkością. Wyniki zostały przedstawione w tabeli 3. Figura 9 pokazuje twardość w funkcji czasu dla schłodzenia od 800°C do 500°C. Jak to jest widoczne z tej figury, która pokazuje krzywe hartowności dla badanych stali, krzywa dla stali C według wynalazku leży na znacznie niższym poziomie niż krzywa dla stali porównawczej, co oznacza, że stal według wynalazku ma znacznie lepszą hartowność niż stal porównawcza.

Tabela 3 - Pomiary hartowności, TA = 1020°C

Czas chłodzenia od temperatury 800°C do 500°C (sekundy)	Vanadis® 4	Stal C
Twardość (HV10)	Twardość (HV10)
139	767	858
415	-	858
700	734	858
2077	634	743
3500	483	606
7000	274	519

Zastrzeżenia patentowe

Claims

1. Stal do pracy na zimno, znamienna tym, że ma następujący skład chemiczny w % wagowych:

1,25-1,75% (C+N) przy czym maksymalnie 0,12% N,

0,1-1,5% Si,

0,1-1,5% Mn,

4,5-5,5% Cr,

3,0-4,5% (Mo+W/2), przy czym maksymalnie 0,5% W,

3,0-4,5% (V+Nb/2), przy czym maksymalnie 0,5% Nb, maksymalnie 0,3% S zaś dopełnienie stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia, oraz wykazuje mikrostrukturę, która w przypadku hartowanej i odpuszczanej stali zawiera 6-13% objętościowych węglików i/lub węglikoazotków MX bogatych w wanad, równomiernie rozproszonych w osnowie stali, gdzie X oznacza węgiel i/lub azot, przy czym przynajmniej 90% objętościowych wspomnianych węglików i/lub węglikoazotków ma średnicę równoważną D_eq mniejszą niż 3,0 um i całkowitą ilość innych możliwie występujących węglików, azotków i/lub węglikoazotków wynoszącą maksymalnie 1% objętościowy.

2. Stal według zastrz., znamienna tym, że osnowa stali w stanie hartowania składa się zasadniczo tylko z martenzytu, który zawiera 0,3-0,7, korzystnie 0,4-0,6% C w postaci stałego roztworu.

3. Stal według zastrz. 2, znamienna tym, że po hartowaniu i odpuszczaniu ma twardość 54-66 HRC, korzystnie 58-63 HRC.

PL 198 295 B1

4. Stal według zastrz. 3 znamienna tym, że po hartowaniu i odpuszczaniu ma twardość 60-63 HRC.

5. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że przynajmniej 98% objętościowych węglików i/lub węglikoazotków typu MX ma średnicę równoważną D_eq mniejszą niż 3,0 μm, a korzystnie także niniejszą niż 2,5 Lim.

6. Stal według zastrz. 1-5, znamienna tym, że zawiera 7-11% objętościowych węglików i/lub węglikoazotków MX, w których M stanowi zasadniczo z wanad zaś X oznacza węgiel i/lub azot.

7. Stal według zastrz. 1-6, znamienna tym, że zawiera 1,35-1,60% (C+N).

8. Stal według zastrz. 7, znamienna tym, że zawiera 1,45-1,50% (C+N).

9. Stal według zastrz. 8, znamienna tym, że zawiera maksymalnie 0,10 N.

10. Stal według zastrz. 1-9, znamienna tym, że zawiera 0,1-1,2%, korzystnie 0,2-0,9 Si%.

11. Stal według zastrz. 10, znamienna tym, że zawiera 0,1-1,3, korzystnie 0,1-0,9% Mn.

12. Stal według zastrz. 1-11, znamienna tym, że zawiera 4,5-5,2% Cr.

13. Stal według zastrz. 1-12, znamienna tym, że zawiera 3,0-4,0% (Mo+W/2).

14. Stal według zastrz. 13, znamienna tym, że zawiera maksymalnie 0,3% W, korzystnie maksymalnie 0,1% W.

15. Stal według zastrz. 1-14, znamienna tym, że zawiera 3,4-4,0% (V+Nb/2).

16. Stal według zastrz. 15, znamienna tym, że zawiera maksymalnie 0,3% Nb, korzystnie maksymalnie 0,1% Nb.

17. Stal według zastrz. 1-16, znamienna tym, że zawiera maksymalnie 0,15% S.

18. Stal według zastrz. 17, znamienna tym, że zawiera maksymalnie 0,02% S.

19. Stal do pracy na zimno, znamienna tym, że ma następujący skład chemiczny w % wagowych: 1,25-1,75% (C+N) przy czym maksymalnie 0,12% N,

0,1-1,5% Si,

0,1-1,5% Mn,

4,5-5,5% Cr,

3,0-4,5% (Mo+W/2), przy czym maksymalnie 0,5% W,

3,0-4,5% (V+Nb/2), przy czym maksymalnie 0,5% Nb, maksymalnie 0,3% S zaś dopełnienie stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia, oraz, że po wyżarzaniu zmiękczającym ma osnowę ferrytyczną zawierającą 8-15% objętościowych węglików i/lub węglikoazotków MX, przy czym przynajmniej 90% objętościowych z nich ma średnicę równoważną Deq mniejszą niż 3,0 L m, korzystnie mniejszą niż 2,5 L m a całkowita ilość innych możliwie występujących węglików, azotków i/lub węglikoazotków wynosi maksymalnie 3% objętościowo.

20. Sposób wytwarzania stali określonej w zastrz. 1-19 metodą metalurgii proszkowej, znamienny tym, że obejmuje etap w którym ze stopionego metalu wytwarza się proszek i proszek prasuje się izostatycznie na gorąco w temperaturze między 950 a 1200°C i pod ciśnieniem miedzy 90 a 150 MPa do zwartego ciała.

21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że po prasowaniu izostatycznym na gorąco stosuje się obróbkę plastyczną na gorąco w temperaturze między 1050 a 1150°C.

22. Sposób według zastrz. 20 albo 21, znamienny tym, że obejmuje hartowanie w temperaturze między 940 a 1150°C i odpuszczanie w temperaturze między 200 a 250°C lub w temperaturze między 500 a 560°C.

23. Zastosowanie stali określonej w którymkolwiek z zastrz. 1-19 do wytwarzania narzędzi do cięcia, wycinania i/lub wykrawania (perforowania) w warunkach obróbki materiału na zimno lub do prasowania proszku metali.