PL200146B1

PL200146B1 - Stal do pracy na zimno i jej zastosowanie

Info

Publication number: PL200146B1
Application number: PL372555A
Authority: PL
Inventors: Odd Sandberg; Börje Johansson
Original assignee: Uddeholm Tooling Ab
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2008-12-31
Also published as: WO2003106728A1; KR101360922B1; KR20110042131A; PL372555A1; ATE518969T1; JP2005530041A; SI1511873T1; BR0311757A; RU2004134332A; BR0311757B1; KR20050007597A; US8900382B2; RU2322531C2; US20050155674A1; TW200413547A; AU2003241253A1; TWI315348B; EP1511873A1; KR20120104444A; CN1659299A

Abstract

Stal do pracy na zimno, charakteryzuje si e tym, ze odznacza si e nast epuj acym sk ladem che- micznym, wyra zonym w % wagowych: 0,60% - 0,85% C, przynajmniej 0,05 a maksymalnie 1,5% (Si + Al), 0,1% - 2,0% Mn, 3,0% - 7,0% Cr, 1,5% - 4,0% (Mo + W/2), ale maksymalnie 1,0% W, 0,30% - 0,65% V, maksymalnie 0,1% ka zdego spo sród pierwiastków: Nb, Ti i Zr, maksymalnie 2,0% Co, maksymalnie 2,0% Ni, przy czym ca losc sk ladu bilansowana jest zasadniczo tylko przez zelazo i niemo zliwe do unikni ecia zanieczyszczenia. PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stal do pracy na zimno i jej zastosowanie. Stal według wynalazku przeznaczona jest do zastosowania przy obróbce na zimno. Do typowych przykładów zastosowania tego rodzaju stali należą przebijaki, stemple i matryce do kucia na zimno oraz inne narzędzia do kucia na zimno, narzędzia do wytłaczania na zimno oraz matryce do walcowania gwintów, ale także narzędzia tnące, na przykład noże, takie jak noże do cięcia blachy, noże krążkowe bądź inne.

Stale tego typu są znane między innymi z opisów EP 0672761 A2, WO 8903898 A1 i EP 0930374A1.

Przedmiotem wynalazku jest stal do pracy na zimno, charakteryzująca się tym, że odznacza się następującym składem chemicznym, wyrażonym w % wagowych: 0,60% - 0,85% C, przynajmniej 0,05% a maksymalnie 1,5 % (Si + Al) , 0,1% - 2,0% Mn, 3,0% - 7,0% Cr, 1,5% - 4,0 % (Mo + W/2), ale maksymalnie 1,0% W, 0,30% - 0,65% V, maksymalnie 0,1% każdego spośród pierwiastków: Nb, Ti i Zr, maksymalnie 2,0% Co, maksymalnie 2,0% Ni, przy czym całość składu bilansowana jest zasadniczo tylko przez żelazo i niemożliwe do uniknięcia zanieczyszczenia.

Korzystnie, stal według wynalazku zawiera przynajmniej 0,63%, korzystnie przynajmniej 0,68% C, a zwłaszcza maksymalnie 0,8%, korzystnie maksymalnie 0,78% C.

Poza tym stal zawiera przynajmniej 0,3%, korzystnie przynajmniej 0,42% V, a szczególnie maksymalnie 0,60%, korzystnie maksymalnie 0,55% V.

W korzystnym rozwiązaniu stal zawiera korzystnie 0,72% C i korzystnie 0,50% V.

Stal według wynalazku zawiera przynajmniej 0,05%, a maksymalnie 1,0% Si, zwłaszcza przynajmniej 0,1%, a korzystnie przynajmniej 0,2%, zaś maksymalnie 0,5% Si.

Stal według przedmiotowego rozwiązania zawiera maksymalnie 1,0%, korzystnie maksymalnie 0,3%, zwłaszcza maksymalnie 0,1%, zaś najkorzystniej maksymalnie 0,03% Al i przynajmniej 1,8%, zaś maksymalnie 3,2% Mo, a zwłaszcza przynajmniej 2,1% a maksymalnie 2,6% Mo.

Poza tym przedmiotowa stal zawiera maksymalnie 0,3%, korzystnie maksymalnie 0,1% W.

Stal może zawierać również maksymalnie 0,7% Co.

W rozwiązaniu według wynalazku, zawartość żadnego z pierwiastków: tytanu, cyrkonu ani niobu, nie przekracza 0,1%, przy czym stal zawiera maksymalnie 1,0% Ni, a korzystnie maksymalnie 0,7% Ni.

Stal charakteryzuje się również tym, że zawartość żadnego z pierwiastków: tytanu, cyrkonu ani niobu, nie przekracza 0,03%, a zwłaszcza, zawartość żadnego z pierwiastków: tytanu, cyrkonu ani niobu, nie przekracza 0,01%, korzystnie nie przekracza 0,005%.

Stal według wynalazku nie zawiera więcej niż maksymalnie 0,035%, korzystnie maksymalnie 0,015%, a zwłaszcza maksymalnie 0,010% P.

Korzystnie, przedmiotowa stal zawiera maksymalnie 20 ppm, korzystnie maksymalnie 10 ppm O, maksymalnie 30 ppm, korzystnie 15 ppm, a zwłaszcza maksymalnie 10 ppm N oraz maksymalnie 0,03%, korzystnie maksymalnie 0,01%, a zwłaszcza maksymalnie 30 ppm S jak również 0,10% - 0,30% S i 5 - 75 ppm Ca oraz 50 - 100 ppm O, korzystnie 5 - 50 ppm Ca i korzystnie 60 - 90 ppm O. Przedmiot wynalazku obejmuje również zastosowanie opisanej powyżej stali do wytwarzania narzędzi do wiercenia udarowego, tłoczenia na zimno, cięcia i oddzielania metalu na zimno, matryc do kucia, narzędzi do wytłaczania na zimno i matryc do walcowania gwintów.

Stal według wynalazku powinna odznaczać się następującymi właściwościami: dobrą ciągliwością/wiązkością, dobrą hartownością pozwalającą poprzez hartowanie w połączeniu z konwencjonalnym hartowaniem w piecu próżniowym na uzyskanie produktów o grubości wynoszącej do przynajmniej 300 milimetrów, odpowiednią twardością, wynoszącą przynajmniej 60 HRC, po hartowaniu i odpuszczeniu wysokotemperaturowym, co daje wysoką odporność na odkształcenie plastyczne, a także, przynajmniej dla pewnych zastosowań, dobrą odpornością na ścieranie bez azotowania lub pokrywania powierzchni węglikiem tytanu i/lub azotkiem tytanu, czy innymi związkami na przykład przy zastosowaniu technik PVD czy CVD, jak również dobrą odpornością na odpuszczanie, pozwalającą na azotowanie lub pokrywanie powierzchni węglikiem tytanu i/lub azotkiem tytanu lub podobnymi związkami, na przykład przy zastosowaniu dowolnej z wymienionych technik, bez zmniejszenia twardości materiału, dla zastosowań które wymagają szczególnie dobrej odporności narzędzia na ścieranie.

Do innych ważnych właściwości produktu należą: dobra stabilność wymiarów w trakcie obróbki cieplnej, duża trwałość zmęczeniowa, dobra ścieralność, skrawalność, podatność na obróbkę elektroiskrową oraz podatność na polerowanie.

PL 200 146 B1

W szczególności stal według wynalazku, jako stal przeznaczona na matryce kuźnicze, może być wykorzystana w powyższych zastosowaniach, to znaczy zasadniczo jako stal zawierająca węglików pierwotnych i która w stanie użytkowym zawiera osnowę składającą się z odpuszczonego martenzytu.

Poniżej przedstawiono zagadnienia dotyczące poszczególnych pierwiastków zawartych w stali stopowej, oraz ich wzajemnego oddziaływania.

Stal według wynalazku, jak już stwierdzono wcześniej, nie zawiera żadnych węglików pierwotnych lub tylko skrajnie małe ilości węglików pierwotnych, to znaczy powinna być zasadniczo wolna od węglików pierwotnych, a mimo to powinna odznaczać się odpornością na ścieranie, odpowiednią dla większości zastosowań. Może to zostać osiągnięte dzięki odpowiedniej twardości w zakresie 57 - 63 HRC, korzystnie 60 - 62 HRC w stanie po hartowaniu i odpuszczaniu wysokotemperaturowym, a jednocześnie stal powinna odznaczać się bardzo dobrą wiązkością. W celu osiągnięcia tego celu stal zawiera węgiel i wanad w dobrze zrównoważonych ilościach. W związku z powyższym stal zawiera przynajmniej 0,60%, korzystnie przynajmniej 0,63%, zaś odpowiednio przynajmniej 0,68% węgla (C). Ponadto, stal winna zawierać przynajmniej 0,30%, korzystnie przynajmniej 0,35%, zaś odpowiednio przynajmniej 0,42% wanadu (V). Dzięki temu osnowa martenzytowa w stanie hartowanym i odpuszczonym zawiera ilość węgla w roztworze stałym wystarczającą do nadania osnowie odpowiedniej twardości, a także dzięki temu w osnowie stali uformuje się wystarczająca, bardzo mała ilość wtórnie wytrąconych, zwiększających twardość węglików wanadu. Ponadto, w stali obecne są bardzo małe ilości pierwotnie wytrąconych węglików wanadu, które przyczyniają się do zapobieżenia wzrostu ziarna w trakcie obróbki cieplnej. Nie powinny być obecne żadne inne węgliki poza węglikami wanadu. W celu uzyskania takich warunków, stal nie może zawierać więcej niż 0,85%, korzystnie maksymalnie 0,80%, a odpowiednio maksymalnie 0,78% węgla (C), zaś ilość wanadu może wynosić maksymalnie 0,85%, korzystnie maksymalnie 0,60%, a odpowiednio 0,55%. Nominalnie stal zawiera 0,72% węgla (C) i 0,50% wanadu (V) . Zawartość węgla w stałym roztworze w stanie hartowanym i odpuszczonym wysokotemperaturowo wynosi nominalnie około 0,67%.

Krzem występuje przynajmniej w ilościach mierzalnych w charakterze pierwiastka szczątkowego z procesu wytwarzania stali, a jego ilość wynosi od ilości śladowych do maksymalnie 1,5%. Krzem pogarsza jednak wiązkość stali i dlatego jego ilość nie powinna przekraczać 1,0%, korzystnie maksymalnie 0,5%. Zwykle krzem występuje w minimalnej ilości wynoszącej przynajmniej 0,05%. Krzem powoduje zwiększenie aktywności węgla w stali i dlatego przyczynia się do uzyskania pożądanej twardości stali. Innym pozytywnym wpływem krzemu jest to, że może on poprawiać skrawalność stali. Dlatego też może być korzystne, ażeby stal zawierała krzem w ilości wynoszącej przynajmniej 0,1%. Nominalnie stal zawiera 0,2% krzemu.

Glin może mieć do pewnego stopnia taki sam lub podobny wpływ jak krzem, przynajmniej w stali tego rodzaju. Obydwa te pierwiastki mogą być stosowane jako czynniki utleniające przy wytwarzaniu stali. Obydwa one są pierwiastkami ferrytotwórczymi i mogą powodować efekt utwardzania w osnowie stali. Dlatego też krzem może zostać częściowo zastąpiony glinem do ilości wynoszącej maksymalnie 1,0%. Jednakże glin obecny w stali sprawia, iż konieczne jest bardzo dobre odtlenienie stali oraz bardzo mała zawartość azotu, gdyż w przeciwnym razie powstawałyby tlenki glinu i azotki glinu, które znacznie pogarszałyby ciągliwość/wiązkość stali. Dlatego też stal nie powinna zawierać więcej niż 1,0% Al, korzystnie maksymalnie 0,3%. W korzystnym przykładzie wykonania stal zawiera maksymalnie 0,1%, zaś najkorzystniej maksymalnie 0,03% Al.

Ilości manganu, chromu i molibdenu w stali powinny być wystarczające do uzyskania odpowiedniej hartowności. Mangan pełni także zadanie wiązania skrajnie małych ilości siarki, które mogą być obecne w stali, tworząc siarczki manganu. Dlatego też ilość manganu powinna wynosić 0,1 - 2,0%, korzystnie 0,2 - 1,5%. Prawidłowo stal zawiera przynajmniej 0,25%, a maksymalnie 1,0% manganu. Nominalna zawartość manganu wynosi 0,50%.

Minimalna ilość chromu wynosi 3,0%, korzystnie przynajmniej 4,0%, zaś prawidłowo 4,5% w celu nadania stali pożądanej hartowności, gdy stal zawiera mangan i chrom w ilościach, które są charakterystyczne dla stali. Maksymalnie stal może zawierać 7,0%, korzystnie maksymalnie 6,0%, zaś prawidłowo 5,5% chromu.

Także molibden powinien być obecny w adekwatnej ilości, pozwalającej, wraz z chromem w pierwszym rzędzie, nadać stali pożądaną hartowność, a także nadać jej pożądany stopień twardości wtórnej. Zbyt duże ilości molibdenu powodują jednak wytrącanie węglików M6C, które korzystnie nie powinny występować w stali. Dlatego też stal powinna zawierać przynajmniej 1,5%, zaś maksymalnie 4,0%

PL 200 146 B1 molibdenu (Mo) . Korzystnie, stal zawiera przynajmniej 1,8%, zaś maksymalnie 3,2% molibdenu (Mo), prawidłowo przynajmniej 2,1%, zaś maksymalnie 2,6% molibdenu (Mo) dlatego, ażeby stal nie zawierała niepożądanych węglików M6C zamiast i/lub dodatkowo względem pożądanej ilości węglików MC. Molibden może być w zasadzie całkowicie lub częściowo zastąpiony przez wolfram, w celu uzyskania pożądanej hartowności, ale wymaga to dwukrotnie większej ilości wolframu niż molibdenu, co stanowi niedogodność tego rozwiązania. Także ponowne wprowadzenie złomu, który powstaje w procesie wytwarzania stali, jest bardziej skomplikowane, jeżeli stal zawiera znaczne ilości wolframu. Dlatego też ilość wolframu nie powinna być większa niż maksymalnie 1,0%, korzystnie maksymalnie 0,3%, zaś prawidłowo 0,1%. Najkorzystniej, stal nie powinna zawierać jakichkolwiek ilości celowo dodawanego wolframu, który w najbardziej korzystnym przykładzie wykonania stali nie powinien być tolerowany bardziej niż w charakterze zanieczyszczenia w postaci pierwiastka śladowego, którego obecność wynika z surowców użytych do wytworzenia stali.

Poza wymienionymi pierwiastkami stal typowo nie musi zawierać żadnych innych, celowo dodawanych pierwiastków stopowych. Kobalt, przykładowo, jest pierwiastkiem, który nie jest normalnie wymagany do uzyskania pożądanych właściwości stali. Jednakże kobalt może być ewentualnie obecny w ilości wynoszącej maksymalnie 2,0%, korzystnie maksymalnie 0,7%, w celu dodatkowego zwiększenia odporności na odpuszczanie. Typowo jednak stal nie zawiera żadnych ilości kobaltu przekraczających poziom zanieczyszczenia. Innym pierwiastkiem, który typowo nie musi być obecny w stali, ale który może występować opcjonalnie, jest nikiel, poprawiający ciągliwość stali. Przy zbyt dużych zawartościach niklu istnieje jednak ryzyko powstawania austenitu szczątkowego. Dlatego zawartość niklu nie może przekraczać maksymalnie 2,0%, korzystnie 1,0%, zaś prawidłowo 0,7%. Jeżeli uważa się, iż w stali pożądana jest skuteczna zawartość niklu, może ona wynosić na przykład 0,30% - 0,70%, korzystnie około 0,5%. W korzystnym przykładzie wykonania, gdy uznaje się, iż stal odznacza się wystarczającą ciągliwością/wiązkością także bez dodatku niklu, stal, ze względu na koszty, nie powinna zawierać niklu w ilościach przekraczających zawartość niklu jaka jest nie do uniknięcia i wynika z zastosowanych surowców, to znaczy mniejsza niż 0,30%.

Ponadto, sama stal może być ewentualne domieszkowana bardzo małymi ilościami różnych pierwiastków, poprawiających różnego rodzaju właściwości stali, na przykład jej hartowność lub ułatwiającymi wytwarzanie stali. Przykładowo stal może być domieszkowana borem w ilości do około 30 ppm, co ma na celu zwiększenie jej ciągliwości na gorąco.

Inne pierwiastki, z drugiej strony, są wyraźnie niepożądane. W związku z powyższym stal nie zawiera żadnych innych niż wanad pierwiastków silnie węglikotwórczych. Wyraźnie niepożądane są na przykład niob, tytan i cyrkon. Ich węgliki są bardziej stabilne niż węglik wanadu i do rozpuszczenia w procesie hartowania wymagają wyższej temperatury niż węglik wanadu. O ile węgliki wanadu zaczynają ulegać rozpuszczaniu w temperaturze 1000°C i w efekcie ulegają całkowitemu rozpuszczeniu w temperaturze 1100°C, to węgliki niobu nie rozpoczynają procesu rozpuszczania aż do temperatury około 1050°C. Węgliki tytanu oraz węgliki cyrkonu są jeszcze bardziej stabilne i nie rozpoczynają procesu rozpuszczania się zanim temperatura nie osiągnie wartości równej w przybliżeniu 1200°C, przy czym nie są całkowicie rozpuszczone aż do momentu osiągnięcia przez stal stanu płynnego. Dlatego też zawartość pierwiastków silnie węglikotwórczych i azotkotwórczych innych niż wanad, w szczególności tytanu, cyrkonu i niobu, nie może przekraczać 0,1%, korzystnie maksymalnie 0,03%, zaś prawidłowo maksymalnie 0,010%. Najkorzystniej stal nie zawiera więcej niż 0,005% każdego z tych pierwiastków. Także zawartości fosforu, siarki, azotu i tlenu w stali utrzymywane są na bardzo małym poziomie, co ma na celu uzyskanie maksymalnej ciągliwości i wiązkości stali. W związku z powyższym, fosfor może być obecny w charakterze niemożliwego do uniknięcia zanieczyszczenia, w maksymalnej ilości wynoszącej 0,035%, korzystnie maksymalnie 0,015%, zaś prawidłowo maksymalnie 0,010%. Maksymalna ilość tlenu może wynosić 0,0020% (20 ppm), korzystnie maksymalnie 0,0015% (15 ppm), zaś prawidłowo maksymalnie 0,0010% (10 ppm). Ilość azotu może wynosić maksymalnie 0,030%, korzystnie maksymalnie 0,015%, zaś prawidłowo maksymalnie 0,010%.

Jeżeli stal nie jest zasiarczana w celu poprawienia jej skrawalności, to zawiera ona maksymalnie 0,03% siarki, korzystnie maksymalnie 0,010% siarki, zaś prawidłowo 0,003% (30 ppm) siarki. Można jednakże rozważyć poprawienie skrawalności stali poprzez celowe dodanie siarki w ilości większej niż 0,03%, korzystnie większej niż 0,10% do maksymalnie 0,30% siarki. Jeżeli stal jest zasiarczana, może ona także zawierać 5 - 75 ppm wapnia (Ca) oraz 50 - 100 ppm tlenu, korzystnie 5 - 50 ppm wapnia i 60 - 90 ppm tlenu.

PL 200 146 B1

W trakcie wytwarzania stali produkowane są wlewki lub półwyroby o masie przekraczającej 100 kilogramów, korzystnie do 10 ton i grubości przekraczającej 200 milimetrów, korzystnie do przynajmniej 300 lub 350 milimetrów. Korzystnie stosowany jest konwencjonalny metalurgiczny sposób wytwarzania za pośrednictwem odlewania, korzystnie odlewania syfonowego. Zastosowane może być także odlewanie ciągłe, zakładając, iż następuje po nim przetapianie do pożądanych wymiarów, na przykład poprzez przetapianie elektrożużlowe. Metalurgia proszków lub formowanie rozpryskowe są procesami wymagającymi poniesienia niepotrzebnych nakładów i nie oferują one żadnych korzyści, które uzasadniałyby ich koszty. Produkowane wlewki są poddawane obróbce na gorąco do uzyskania pożądanych wymiarów, kiedy to rozbiciu ulega także struktura odlewu.

Struktura poddawanego obróbce na gorąco materiału może być normalizowana na różne sposoby w wyniku obróbki cieplnej, co ma na celu zoptymalizowanie jednorodności materiału, na przykład w wyniku obróbki ujednorodniającej w wysokiej temperaturze, korzystnie w temperaturze 1200 - 1300°C. Stal dostarczana jest zwykle konsumentowi przez producenta stali w stanie po wyżarzaniu zmiękczającym, przy twardości wynoszącej zwykle 200 - 230 HB, typowo 210 - 220 HB. Narzędzia są zazwyczaj wytwarzane w wyniku obróbki w stanie po wyżarzaniu zmiękczającym, ale możliwe jest także wytwarzanie narzędzi w wyniku konwencjonalnych operacji obróbki lub poprzez obróbkę elektroiskrową po hartowaniu i odpuszczeniu stali.

Obróbka cieplna wytworzonych narzędzi dokonywana jest zwykle przez klienta, korzystnie w piecu próżniowym, poprzez hartowanie od temperatury pomiędzy 950 - 1100°C, korzystnie w temperaturze 1020 - 1050°C, do całkowitego rozpuszczenia istniejących węglików, przez okres czasu od 15 minut do 2 godzin, korzystnie przez 15 - 60 minut, po czym następuje schłodzenie do temperatury 20 - 70°C oraz wysokotemperaturowe odpuszczenie w temperaturze 500 - 600°C, korzystnie w temperaturze 520 - 560°C.

W stanie po wyżarzaniu zmiękczającym stal posiada ferrytyczną osnowę zawierającą równomiernie rozmieszczone niewielkie węgliki, które mogą być różnego rodzaju. W stanie hartowanym a nie odpuszczonym stal zawiera osnowę składającą się z nieodpuszczonego martenzytu. Według znanych teoretycznych wyliczeń stal w stanie równowagi zawiera około 0,6% objętościowo węglików MC. Przy odpuszczaniu wysokotemperaturowym uzyskuje się dodatkowe wytrącanie węglików MC, co pozwala na osiągnięcie przez stal jej zamierzonej twardości. Węgliki te mają rozmiary submikroskopowe. Dlatego też ilość węglików jest niemożliwa do stwierdzenia przy zastosowaniu konwencjonalnych badań mikroskopowych. Jeżeli temperatura zostanie podniesiona zbyt mocno, może to spowodować, iż węgliki MC będą grubsze i staną się niestabilne, co spowoduje niepożądane powstanie szybko rosnących węglików chromu. Z tych powodów ważne jest, ażeby odpuszczanie w odniesieniu do kompozycji stopowej stali według wynalazku wykonywane było w opisanych wyżej temperaturach i z zachowaniem czasów wytrzymywania.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach na załączonym rysunku, na którym fig. 1 - 5 dotyczą badania stali wytworzonej w skali laboratoryjnej, przy czym na fig. 1 przedstawiono wykres ilustrujący wpływ temperatury odpuszczania na właściwości badanych stali, na fig. 2 przedstawiono wykres ilustrujący hartowność badanych stali, na fig. 3 przedstawiono wykres ilustrujący ciągliwość pod względem uderzeniowej wiązkości badanych materiałów w funkcji twardości próbek hartowanych w piecu próżniowym przy różnych czasach schładzania, na fig. 4 przedstawiono wykres słupkowy ilustrujący ciągliwość i twardość badanej stali po specyficznej obróbce cieplnej, zaś na fig. 5 przedstawiono wykres ilustrujący ciągliwość na gorąco badanych stali w stanie po odlaniu i po kuciu, a także fig. 6 i 7 dotyczą badań stali wytwarzanych w skali produkcyjnej, przy czym na fig. 6 przedstawiono ciągliwość próbek badanych stali pobranych w różnych punktach wykonanych prętów, zaś na fig. 7 przedstawiono mikrostrukturę stali według wynalazku po obróbce cieplnej.

Wykonano cztery stopy stali w postaci laboratoryjnych wlewków o masie 50 kilogramów. Składy chemiczne podano w tabeli 1. Zawartość siarki nie mogła zostać utrzymana na pożądanym niskim poziomie ze względu na ograniczenia techniki wytwarzania. Zawartości tlenu oraz zanieczyszczeń innych niż te, które zostały podane w tabeli nie były analizowane. Zastosowano następującą kolejność procesów: obróbka ujednorodniająca prowadzona przez 10 godzin w temperaturze 1270°C w powietrzu, kucie do wymiarów 60x60 milimetrów, obróbka regeneracyjna 1050°C/2 godziny/powietrze, a także wyżarzanie zmiękczające 850°C/2 godziny, schładzanie z szybkością 10°C/godzinę do 600°C, następnie swobodnie w powietrzu.

PL 200 146 B1

T a b e l a 1

Skład chemiczny, wyrażony w % wagowych, materiałów wytworzonych w skali laboratoryjnej

Stal	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Ti pp^m	Nb pp^m	O	N pp^m	Bilans
1	0,68	0,87	0,65	0,005	0,006	2,82	2,34	0,52	33	< 10	n. a.	14	Fe + inne zanieczyszcz.
2	0,68	0,19	0,39	0,004	0,006	4,93	2,37	0,37	29	< 10	n. a.·	28
3	0,71	0,90	0,49	0,004	0,006	5,09	2,36	0,56	39	< 10	n. a.	19
4	0,63	1,38	0,35	0,007	0,006	4,25	2,87	1,81	42	< 10	n. a.	18

n. a. - nie analizowane

T a b e l a 8

Skład chemiczny, wyrażony w % wagowych (S, B i O w ppm), przy czym bilans tworzony jest przez Fe i zanieczyszczenia materiałów wytworzonych na skalę produkcyjną

Stal	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	W	Co	V	Ti	Nb	Cu	Al	N	B	O
10	0,71	0,19	0,49	,009	6	4,96	0,07	2,28	,003	0,01	0,50	,0016	,001	,062	,017	,011	10	7
11	0,71	0,19	0,49	,009	8	4,98	0,07	2,30	,003	,011	0,50	,0015	,001	,062	,015	,011	10	5
12	0,74	0,99	0,76	,007	10	2,55	0,06	2,09	,01	,01	00,5	,003	,01	,07	,037	,007	30	8

Powyższe materiały zbadane zostały w odniesieniu do twardości po wyżarzaniu zmiękczającym, mikrostruktury po różnych etapach obróbki cieplnej, twardości po etapach hartowania i odpuszczania, hartowności, wiązkości uderzeniowej, odporności na ścieranie, a także ciągliwości na gorąco. Badania te opisano poniżej. Ponadto, przeprowadzono teoretyczne obliczenia równowagowe metodą Thermo-Calc w odniesieniu do zawartości rozpuszczonego węgla i frakcji węglika, przy wskazanej temperaturze austenityzacji dla stali posiadających składy według tabeli 2.

T a b e l a 2

Skład chemiczny, % wagowe, stopów badanych metodą Thermo-Calc

Stal	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V
5	0,72	1,00	0,75	0,02	0,005	2,60	2,25	0,50
6	0,71	0,20	0,50	0,02	0,005	5,00	2,30	0,55
7	0,74	1,00	0,50	0,02	0,005	5,00	2,30	0,55
8	0,65	1,50	0,40	0,02	0,005	4,20	2,80	1,80

Zawartości rozpuszczonego węgla w temperaturze austenityzacji, Ta, a także zawartość węglików MC, wyrażone w % objętościowych, w temperaturze Ta zestawiono w tabeli 3 poniżej.

T a b e l a 3

	TA (°C)	% C w Ta	% objętościowe MC w Ta
5	1050/30 min	0,63	1,01
6	1050/30 min	0,65	0,72
7	1050/30 min	0,64	1,04
8	1150/10 min	0,38	2,87

Twardość po wyżarzaniu zmiękczającym, twardość Brinella (HB), badanych stopów 1 - 4 podano w tabeli 4.

PL 200 146 B1

T a b e l a 4

Twardość po wyżarzaniu zmiękczającym

Stal	Twardość (HB)
1	218
2	208
3	217
4	222

Mikrostruktura badana była w stanie po wyżarzaniu zmiękczającym po obróbce cieplnej do 60 - 61 HRC. Badania te świadczyły o tym, że mikrostruktura w stanie hartowanym i odpuszczonym składała się z odpuszczonego martenzytu. Pierwotne węgliki pojawiały się tylko w stali 4. Węgliki te były węglikami typu MC. W żadnym ze stopów nie wykryto jakichkolwiek węglików tytanu, azotków i/lub węglikoazotków.

Stale 1 - 3 poddawane były austenityzacji w temperaturze 1050°C/30 min, zaś stal 4 w temperaturze 1150°C/10 minut, chłodzone były powietrzem do temperatury otoczenia i dwukrotnie wyżarzane w różnych temperaturach odpuszczania, za każdym razem przez 2 godziny. Wpływ temperatury odpuszczania na twardość przedstawiono na fig. 1. Na figurze tej pokazano, iż stale 2 i 3 mają potencjalną możliwość uzyskania pożądanej twardości po procesie odpuszczania wysokotemperaturowego w temperaturze 500 - 600°C, korzystnie w temperaturze 520 - 560°C, zaś prawidłowo 520 - 540°C. Optimum maksymalnej twardości osiągane jest poprzez odpuszczanie w temperaturze wynoszącej około 525°C, w odniesieniu do stali 2 i 3. Jest to szczególnie istotne dla stali przeznaczonych na matryce kuźnicze, które wymagają azotowania lub powlekania powierzchni w temperaturze rzędu 500°C lub wyższej, w celu uzyskania odporności na ścieranie jaka wymagana jest dla pewnych zastosowań narzędziowych. W temperaturach tych uzyskuje się więc istotną twardość wtórną hartowania w wyniku wytrącania węglików MC. Jak wynika z fig. 1, twardość przekraczająca 60 HRC gwarantowana jest przez odpuszczanie nawet do temperatury wynoszącej około 580°C, co jest korzystne, gdyż umożliwia wykonanie powlekania powierzchni w raczej szerokim zakresie temperatury, nie powodując zbyt małej twardości narzędzia. Jeżeli celem jest uzyskanie większej twardości, do stopu dodane muszą zostać większe ilości węgla i pierwiastka węglikotwórczego. Może to jednak wywołać ryzyko powstania pierwotnych węglików, które nie mogą zostać rozpuszczone poprzez wyżarzanie. Przykładem tej sytuacji jest stal 4, która wymaga wysokiej temperatury austenityzacji, z czym wiąże się wiele niedogodności: konieczność wykonania niekonwencjonalnej techniki hartowania przez producenta narzędzi, naprężenia hartownicze zmiany wymiarów oraz ryzyko wystąpienia spękań.

Porównanie hartowności badanych stopów 1 - 4, wykorzystując wykreślone dane z wykresów CCT, przedstawiono na fig. 2. Zgodnie z tym co pokazano na wykresie, stal 2 odznacza się najlepszą hartownością, ale także stal 3 ma lepsze warunki do formowania się martenzytu, gdy stal jest powoli schładzana od temperatury austenityzacji, w porównaniu do stali 1, a zdecydowanie w porównaniu do stali 4.

Na figurze 3 przedstawiono ciągliwość określoną w odniesieniu do pochłanianej energii uderzenia dla prętów testowych bez karbu w temperaturze 20°C, hartowanych w piecu próżniowym przy różnych, czasach schładzania, a także odpuszczanych do różnych twardości. Najlepszą wiązkość, gdy twardość przekraczała 60 HRC, uzyskano dla stali 2, zaś efekt ten był nawet jeszcze bardziej wyraźny, gdy twardość przekraczała 61 HRC. W celu dalszej analizy wiązkości, przy wspomnianej wartości twardości, stale 1 - 4 porównywane były także na wykresie słupkowym na fig. 4. W tym wypadku stale 1 - 4 schładzane były od temperatury austenityzacji w ciągu 706 sekund od temperatury 800 C do 500 C, i po dalszym chłodzeniu do temperatury pokojowej odpuszczane były w temperaturze 525 - 540°C w cyklu 2x2 godz. Z fig. 4 wynika, iż najlepszą wiązkość, przy porównywalnych twardościach, uzyskano dla stali 2.

Ciągliwość na gorąco jest ważnym parametrem, istotnym między innymi dla ekonomii produkcji stali. Testy ciągliwości na gorąco wykonane zostały po obróbce ujednorodniającej przez 10 godzin w temperaturze 1270°C i w powietrzu, dla stali odlewanej i kutej. Dla stali kutej wykonano także obróbkę regeneracyjną w temperaturze 1050°C przez 2 godziny oraz wyżarzanie zmiękczające. Czas utrzymywania w temperaturze testowej wynosił 4 minuty, z wyjątkiem odlewanych stali 1 i 3, a także dla temperatur równych lub większych niż 1200°C dla materiałów kutych. Powodem tego było to, że te dwa rodzaje stali były intensywnie utleniane, co uniemożliwiło dokonanie prawidłowego pomiaru skur8

PL 200 146 B1 czenia powierzchni. Dla stali 2, która miała małą zawartość krzemu, nie było, z drugiej strony, żadnego zauważalnego utleniania. Stal ta wykazuje także lepszą ciągliwość na gorąco niż stale 1 i 3, zarówno w stanie odlewanym jak i kutym. Dla stali 2 dozwolona byłaby temperatura testowa wyższa o około 50°C. Wyniki zilustrowano na fig. 5.

Odporność na ścieranie badana była za pośrednictwem testu oddziaływania bolca na tarczę z SiO2 w charakterze czynnika ścierającego. Najlepszą odpornością na ścieranie odznaczała się stal 4. Pozostałe stale stopowe były równie dobre.

W celu dokonania oceny powyższych wyników przeprowadzono badania porównawcze badanych stali. W tabeli 5 zestawiono zawartość rozpuszczonego węgla, wyrażoną w % wagowych, a także zawartość węglików typu MC, wyrażoną w % objętościowych, w temperaturze 1050°C, gdy założono stan równowagi dla stali 1 - 3 oraz 5 - 7, a także w temperaturze 1150°C dla stali 4 i 8. Wartości zamierzonych składów stali 5 - 8 podano w charakterze odniesienia w tabeli. Można zauważyć, że stal 2 odznacza się zasadniczo niższą zawartością MC niż zawartość zamierzona, gdyż zawartość wanadu jest niższa niż, według nominalnego składu tej stali, dla stali 6, która zawierała 0,65% objętościowych MC w temperaturze Ta.

T a b e l a 5

Zawartość rozpuszczonego węgla, wyrażona w % wagowych, a także frakcji węglowej, % objętościowych, dla wskazanej temperatury austenityzacji dla badanych stopów 1 - 4 w porównaniu do zamierzonych składów 5 - 8 tych stopów.

Stal	Optymalna Ta (°C)	% C w Ta	% MC w Ta
5	1050/30 min	0,64	0,89
1	1050/30 min	0,60	0,87
6	1050/30 min	0,65	0,65
2	1050/30 min	0,66	0,32
7	1050/30 min	0,65	0,97
3	1050/30 min	0,63	0,95
8	1150/30 min	0,37	2,83
4	1150/30 min	0,30	2,71

W tabeli 6 zestawiono porównanie właściwości badanych stopów 1 - 4. W tabeli tej stopy były oceniane znakami od 1 do 4, gdzie 1 oznaczał wartość najniższą, zaś 4 wartość najlepszą.

T a b e l a 6

Porównanie właściwości badanych stali

Stal nr:	1	2	3	4
Hartowność	2	4	3	1
Stabilność wymiarów przy obróbce cieplnej	2	4	3	1
Twardość po hartowaniu wysokotemperaturowym	4	4	4	4 (jednakże tylko po hartowaniu od wysokiej temperatury)
Ciągliwość/wiązkość	2	4	3	1
Odporność na ścieranie	2	2	2	4
Trwałość zmęczeniowa	4	4	4	2
Wytrzymałość na nacisk	4	4	4	4
Ścieralność	4	4	4	2
Skrawalność	4	3	4	2
Podatność na obróbkę elektroiskrową	4	4	4	4
Podatność na polerowanie	4	4	4	3
Ekonomia produkcji	3	4	4	2

PL 200 146 B1

Jak wprost wynika z tabeli 6, stal 2 odznacza się lepszą kombinacją właściwości niż pozostałe badane i oceniane materiały. W szczególności, wykazuje lepsze właściwości pod względem najbardziej istotnych parametrów produktu. Możliwe, iż niższa zawartość węglików MC stanowi niepożądaną cechę stali 2, gdyż może to powodować spadek odporności na wzrost ziaren. Jest zatem sprawą doświadczalną zwiększenie zawartości wanadu od nominalnej wartości 0,40% do 0,50%, w celu uzyskania większego marginesu zapobiegającego wzrostowi ziaren w trakcie obróbki cieplnej. Doświadczenia wskazują także, iż istnieje wąski margines zawartości wanadu dla uzyskania pożądanej odporności na wzrost ziaren, bez konieczności zwiększania zawartości węglika do poziomu zbyt dużego w odniesieniu do wiązkości stali, a także, iż zawartość węgla powinna zostać zwiększona do wartości nominalnej wynoszącej 0,72% i utrzymywana w raczej wąskim zakresie wokół tej wartości, która potrzebna jest do uzyskania twardości 60 - 62 HRC po obróbce cieplnej. Zawartości P, S, N i O powinny być utrzymywane na bardzo niskich poziomach w celu zmaksymalizowania ciągliwości i wiązkości. Zawartość innych pierwiastków węglikotwórczych i azotkotwórczych, takich jak Ti, Zr i Nb, powinna być najkorzystniej ograniczona do maksymalnie 0,005%. W związku z powyższym, stal przeznaczona do obróbki na zimno według wynalazku powinna mieć nominalny skład podany w tabeli 7.

T a b e l a 7

Nominalna kompozycja stali według wynalazku, stali nr 9, wyrażona w % wagowych, a także ilość rozpuszczonego C oraz ilość węglików, w % objętościowych, w temperaturze 1050°C.

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	N	O	C*	MC* % obj.
0,72	0,20	0,50	< 0,010	0,0010	5,0	2,30	0,50	< 0,010	0,0010	0,67	0,6

Bilans tworzy żelazo i niemożliwe do uniknięcia zanieczyszczenia *Teoretycznie obliczone w stanie równowagi metodą Thermo-Calc.

Eksperymenty na skalę produkcyjną

Wytworzono 65 ton wytopu w piecu z łukiem elektrycznym, przy czym docelowy skład wytopu odpowiadał stali nr 9 według tabeli 7. Wykonano pewną liczbę wlewków z roztopionego metalu, które były kute do postaci walcówek o różnych wymiarach, wliczając w to walcówki o średnicy 0 330 milimetrów i 0 254 milimetrów ze stali nr 10 i nr 11 w tabeli 8. W tej samej tabeli podano także skład chemiczny materiału referencyjnego, to jest stali nr 12. Materiał ten miał kształt kutej walcówki o średnicy 0 330 milimetrów. W tabeli 8 zanieczyszczeniami są nie tylko fosfor i siarka. Zanieczyszczeniami w podanych ilościach są także wolfram, kobalt, tytan, niob, miedź, glin, azot i tlen. Pozostałe zanieczyszczenia nie zostały wymienione ale ich zawartości leżą poniżej dozwolonych poziomów. Bilans stanowiło żelazo.

Testowe pręty wykonano z wytworzonych walcówek. Na fig. 7 przedstawiono mikrostrukturę stali w próbce pobranej ze środka walcówki wykonanej ze stali nr 11. Próbka ta była hartowana poprzez austenityzację w temperaturze 1025°C przez 30 minut i chłodzenie powietrzem, a następnie wyżarzana w temperaturze 525°C w cyklu 2 razy po 2 godziny. Jak wynika z figury, stal ta miała jednorodną mikrostrukturę składającą się z odpuszczonego martenzytu, nie zawierającą żadnych pierwotnych węglików.

Ciągliwość była badana w testach uderzeniowych na prętach testowych bez karbu, prowadzonych w najbardziej krytycznych miejscach i w najbardziej krytycznym kierunku. Pręty testowe ze stali nr 10 i nr 11 hartowane były, odpowiednio do 61,0 HRC (w skali Rockwell) oraz 60,5 HRC, w procesie austenityzacji w temperaturze 1025°C przez 30 minut i chłodzenie powietrzem, a następnie odpuszczane w temperaturze 525°C w cyklu 2x2 godziny. Próbki stali nr 12 były hartowane do twardości 60,2 HRC poprzez austenityzacje w temperaturze 1050°C przez 30 minut i chłodzenie powietrzem, a następnie odpuszczano w temperaturze 550°C w cyklu 2x2 godziny. Pochłonięte energie uderzeń przedstawiono na wykresie słupkowym na fig. 6. Na wykresie tym zastosowano oznaczenia CR1 i CR2, gdzie CR1 oznacza testowy pręt wykonany z walcówki okrągłej, pobrany z obszaru, znajdującego się przy powierzchni walcówki w kierunku podłużnym walcówki, oraz z uderzeniem w kierunku poprzecznym walcówki (kolejne najbardziej niekorzystne warunki), zaś CR2 oznacza pręt testowy wykonany z walcówki okrągłej, pobrany ze środka walcówki, ale pod innymi, względami zgodny z CR1 (najbardziej niekorzystne warunki).

PL 200 146 B1

Jak wynika z wykresu na fig. 6, znacznie lepszą ciągliwość uzyskano dla stali według wynalazku niż dla materiału referencyjnego, gdy twardość stali według wynalazku była równa lub nawet nieco wyższa niż twardość materiału referencyjnego, jako uzyskany rezultat porównywalnego testu uderzeniowego z hartowanymi i odpuszczanymi próbkami bez karbu ze stali wytworzonych na skalę produkcyjną.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Stal d d praacn a z imno,zznmieenntym. żż oodnaacz s ięn astęęująccm ssłaadm chhmiccnym, wyrażonym w % wagowych:

0,60% - 0,85% C przynajmniej 0,05 a maksymalnie 1,5% (Si + Al)

0,1% - 2,0% Mn 3,0% - 7,0% Cr

I, 5% - 4,0% (Mo + W/2), ale maksymalnie 1,0% W 0,30% - 0,65% V maksymalnie 0,1 % każdego spośród pierwiastków: Nb, Ti i Zr maksymalnie 2,0% Co maksymalnie 2,0% Ni, przy czym całość składu bilansowana jest zasadniczo tylko przez żelazo i niemożliwe do uniknięcia zanieczyszczenia.
2. Stal weeług zzstrZi 1, zznmieenn tym. Zż zzwiera przznajrτmiej 0,66%, korzzstnie pizznajmniej 0,68% C.
3. StalweeługzzstrZi 2, zznrnieenntym. żż zzwiera mnSkymnlnie Z,8%, Ζοκ^^ϊθ mnSkymalnie 0,78% C.
4. St^l wedk^ Z zlbb Z, zznmieenn tym, Zż zzwiera zrzzsajrτlnier Z,3%, Zorznstnie przynajmniej 0,42% V.
5. StalweeługznstrZi4. zznmieenntymi. żż zzwieramnSkymnlnieO,66%, korzzstniemnSkymalnie 0,55% V.
6. Stalweeług 2^.3 albb5, z znmieenntym. żż zzwierakorzzstnie0,77% C i 0,50% V.
7. Stal według zastrz. 1, znaiienna tyi, że zawiera przynajmniej 0,05%, a maksymalnie 1,0% Si.
8. Stal według zastrz. 7, znaiienna tyi, że zawiera przynajmniej 0,1%, korzystnie przynajmniej 0,2%, zaś maksymalnie 0,5% Si.
9. StalweeługzzstrZi T zznrnieenntym. żż zzwiera mnSkymnlnie 1,0%, ZorzzsS^ie zmSkymalnie 0,3%, zwłaszcza maksymalnie 0,1%, zaś najkorzystniej maksymalnie 0,03% Al.
10. Stal wedhiu ζ^ύ^ T zznmieenn tymi, Zż zzwiera przzsajmnier 1,8%, zzS rτlnSkymnlnie 3,2% Mo.

II. Stal weełuu z zstrZi 1 00 zznaiieenn a ym, ż ż z zwiera przzsajmniej 2.1% a rτlnSkymnlnie 2,6 % Mo.
12. StalweeługznstrZi1 1 albbl 1 zznmieenntym. żż zzwieramnSkymnlnieO,3%, korzzstnie maksymalnie 0,1% W.
13. Stal według zastrz. 1, znamienna tmm, że zawiera maksymalnie 0,7% Co.
14. Stal według zastrz. 1, znaiienna tmi, że zawartość żadnego z pierwiastków: tytanu, cyrkonu ani niobu, nie przekracza 0,1%.
15. Stal według zastrz. 1, znaiienna tmi, że zawiera maksymalnie 1,0% Ni.
16. Stal według zastrz. 15, znaiienna tmi, że zawiera maksymalnie 0,7% Ni.
17. Stal według zastrz. 14, znaiienna tmi, że zawartość żadnego z pierwiastków: tytanu, cyrkonu ani niobu, nie przekracza 0,03%.
18. Stal weeługznstrZi1 1, zznmieenntym. żż znwaSośćzaanaegz piem/iastkOw:tytasn,cc-konu ani niobu, nie przekracza 0,01%, korzystnie nie przekracza 0,005%.
19. Stal weeługzzstrZi . 1 zznmieenntym. żż s1:al n ie zzwierawięęcjj iżmnSkymnlnie 0,003%, korzystnie maksymalnie 0,015%, a zwłaszcza maksymalnie 0,010% P.
20. Stalweeduu ζ^^ T z znrnieenntym. żż zzwiera mnSkymnlnie20 ppm, ZorzzsS^ie mmSsymalnie 10 ppm O.

PL 200 146 B1
21. Stalwedług zastrz. 1,znamienna tym, Żezawieramaksymalnie30ppm,korcrystnie15ppm, a zełsracas msOrymsInid 10 ppm N.
22. Stalwedług zasrrz.1, z namienna tymi, ż e z awieramaksymalnie0,00°0o, korzysrniemaksym malnid 0,01%, a zwłaszcza maSysmaInid 00 ppa S.

20. Stal według aaytra. 1, namminaam tym, ee zawiera 0,10% - 0,00% S.
24. Stal według zastrz. 20, namminaam tym, ee zawiera 5 - 75 ppa Ca oraz 50 - 100 ppa O, korzystnie 5 - 50 ppa Ca i korzystnie 60 - 90 ppa O.
25. Zastosowanie stali określonej w zastrz. 1 do 24 do wytwarzania narzędzi do wiercenia udarowego, tłoczenia na ziano, cięcia i oddzielania aetalu na ziano, aatryc do kucia, narzędzi do wytłaczania na ziano i aatryc do walcowania gwintów.