PL234049B1

PL234049B1 - Bainitic alloy steel, method for producing bainitic alloy steel and application of bainitic alloy steel

Info

Publication number: PL234049B1
Application number: PL419190A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Wasiak; Wiesław ŚWIĄTNICKI
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2020-01-31
Also published as: PL419190A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest bainityczna stal stopowa średnio i wysokowęglowa, w której osnowę dla węglików stopowych stanowi bainit bezwęglikowy składający się z nanometrycznej bądź submikronowej wielkości listew ferrytu bainitycznego poprzedzielanych warstwami austenitu resztkowego. Powyższy skład fazowy stali zapewnia jej wysokie parametry mechaniczne i użytkowe. Wysokie parametry mechaniczne i użytkowe predysponują niniejszą stal do pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych, wynikających z dużych obciążeń mechanicznych i zanieczyszczeń, przyczyniających się do intensyfikacji zużycia ściernego. Z uwagi na skład chemiczny stali i jej główne przeznaczenie, stal tę należy zaliczyć do grupy stali narzędziowych.The subject of the invention is a medium and high-carbon bainitic alloy steel, in which the matrix for the alloy carbides is carbide-free bainite consisting of nanometric or submicron-sized bainitic ferrite strips separated by layers of residual austenite. The above phase composition of steel ensures its high mechanical and operational parameters. High mechanical and functional parameters predispose this steel to work in difficult operating conditions, resulting from high mechanical loads and pollution, contributing to the intensification of abrasive wear. Due to the chemical composition of steel and its main purpose, this steel should be included in the group of tool steels.

Konwencjonalne stale narzędziowe charakteryzują się wysoką twardością, odpornością na ścieranie, niewielką odkształcalnością i niewrażliwością na przegrzanie. Cechy te osiąga się przez wysoką zawartość węgla i dodatków stopowych oraz odpowiednią obróbkę cieplną.Conventional tool steels are characterized by high hardness, wear resistance, low deformability and insensitivity to overheating. These features are achieved by the high content of carbon and alloying additives as well as appropriate heat treatment.

Konwencjonalną obróbką cieplną stali narzędziowych jest hartowanie martenzytyczne i odpuszczanie jedno bądź kilkukrotne. W wyniku hartowania martenzytycznego uzyskuje się twardą i kruchą strukturę martenzytyczną, stanowiącą osnowę dla węglików pierwotnych i/lub wtórnych. Aby nieco zmniejszyć kruchość stosuje się procesy odpuszczania. Odpuszczanie polega na nagrzaniu zahartowanego elementu do temperatury znajdującej się w przedziale od około 200°C do 550°C. Podczas odpuszczania dochodzi do wydzielania się węglików trzeciorzędowych. W wyniku takiej obróbki w stali znajduje się martenzyt odpuszczony jako osnowa, węgliki, które nie rozpuściły się podczas austenityzacji, oraz węgliki wydzielone z martenzytu.Conventional heat treatment of tool steels is martensitic hardening and single or multiple tempering. As a result of martensitic hardening, a hard and brittle martensitic structure is obtained, which is the matrix for primary and / or secondary carbides. To reduce the brittleness slightly, tempering processes are used. Tempering consists in heating the hardened element to a temperature in the range from about 200 ° C to 550 ° C. During tempering, the tertiary carbides are released. As a result of such treatment, the steel contains martensite tempered as a matrix, carbides that did not dissolve during austenitization, and carbides separated from martensite.

Stale narzędziowe otrzymane w wyniku hartowania martenzytycznego i odpuszczania zostały przedstawione np. w opisach patentów polskich PL125293 oraz PL149328. Stale te wykazują wysoką twardość i odporność na ścieranie dzięki specjalnie dobranemu składowi chemicznemu oraz obróbce cieplnej. W opisie zgłoszenia patentowego WO2008084108 A1 ujawniono stal narzędziową o mikrostrukturze martenzytycznej lub częściowo martenzytycznej, dobrej spawalności i wysokiej twardości. Sposób otrzymywania takiej stali obejmuje hartowanie w warunkach chłodzenia ciągłego i jedno lub kilkukrotne odpuszczanie.Tool steels obtained by martensitic hardening and tempering are presented e.g. in the descriptions of Polish patents PL125293 and PL149328. These steels show high hardness and abrasion resistance due to a specially selected chemical composition and heat treatment. In the patent application WO2008084108 A1 a tool steel with a martensitic or partially martensitic microstructure, good weldability and high hardness is disclosed. The method of obtaining such a steel includes quenching under conditions of continuous cooling and tempering one or more times.

W rezultacie, w końcowej mikrostrukturze znajdują się węgliki stopowe w osnowie martenzytu, odpuszczonego martenzytu lub bainitu.As a result, in the final microstructure there are alloy carbides in a matrix of martensite, tempered martensite or bainite.

Stal po hartowaniu martenzytycznym cechuje się wysoką twardością, wytrzymałością i odpornością na ścieranie. Jednakże obecność martenzytu sprawia, że stale te są kruche i posiadają małą odporność na pękanie. Ponadto, hartowanie martenzytyczne prowadzi do powstawania odkształceń bądź pęknięć hartowniczych obrabianego elementu stalowego, niezależnie od późniejszego odpuszczania.Steel after martensitic hardening is characterized by high hardness, strength and resistance to abrasion. However, the presence of martensite makes these steels brittle and have low fracture toughness. In addition, martensitic hardening leads to deformation or hardening cracks of the processed steel element, regardless of subsequent tempering.

W literaturze można znaleźć szeroko opisaną metodę hartowania izotermicznego stali, skutkiem którego jest uzyskanie mikrostruktury bainitycznej, wykazującej mniejszą wytrzymałość, lecz zwiększoną plastyczność i udarność w porównaniu do mikrostruktury martenzytycznej. Strukturę bainintu uzyskuje się na drodze hartowania z przystankiem izotermicznym w zakresie tworzenia bainitu. Operacja ta składa się z następujących zabiegów: (I) austenityzowanie, (II) chłodzenie z szybkością większą niż krytyczna, (III) wytrzymanie w temperaturze wyższej niż Ms do czasu ukończenia przemiany bainitycznej, (IV) dochładzanie do temperatury otoczenia z dowolną szybkością. W wyniku tej obróbki powstaje bainit dolny lub górny. Podczas przemiany bainitycznej w konwencjonalnych stalach, zawierających mniej niż 1% Si, dochodzi do wydzielania cementytu. Mikrostruktura bainitu górnego składa się z płytek lub listew ferrytu bainitycznego, pomiędzy którymi znajdują się wydzielania cementytu. W przypadku bainitu dolnego w obrębie listew lub płytek ferrytu bainitycznego znajdują się wydzielenia cementytu skierowane pod kątem 60° do osi listwy/płytki. Cementyt może również wydzielać się na granicach listew, tak jak to ma miejsce w przypadku bainitu górnego. O rodzaju wydzielonego bainitu decyduje skład chemiczny stali oraz warunki wytrzymania izotermicznego, a więc temperatura i czas przystanku izotermicznego.In the literature, one can find a widely described method of isothermal hardening of steel, which results in obtaining a bainitic microstructure, showing lower strength, but increased plasticity and impact toughness compared to the martensitic microstructure. The bainint structure is obtained by quenching with an isothermal stop in the bainite formation. This operation consists of the following steps: (I) austenitizing, (II) cooling faster than the critical rate, (III) holding the temperature higher than Ms until the bainite transformation is completed, (IV) subcooling to ambient temperature at any rate. As a result of this treatment, a lower or upper bainite is formed. During the bainite transformation in conventional steels containing less than 1% Si, cementite is released. The upper bainite microstructure consists of plates or strips of bainite ferrite with cementite precipitates between them. In the case of lower bainite, within the laths or bainitic ferrite plates there are cementite precipitations directed at an angle of 60 ° to the axis of the lath / plate. Cementite may also precipitate at the boundaries of the slats, as is the case with upper bainite. The type of bainite separated is determined by the chemical composition of the steel and the isothermal resistance conditions, i.e. the temperature and time of the isothermal stop.

Hartowanie izotermiczne oraz mikrostruktura bainityczna dają wiele korzyści w porównaniu do hartowania martenzytycznego. Jednak ze względu na obecność wydzieleń cementytu na granicach ferrytu bainitycznego, stal o takiej mikrostrukturze cechuje się małą udarnością i małą odpornością na kruche pękanie. Aby zachować korzystne cechy procesu bainityzacji i wykluczyć kruchość opracowane zostały stale o mikrostrukturze bainitycznej, która nie zawiera węglików (tzw. bainit bezwęglikowy), zawiera natomiast znaczny udział austenitu resztkowego wzbogaconego w węgiel. Bainit bezwęglikoIsothermal quenching and bainite microstructure offer many advantages over martensitic quenching. However, due to the presence of cementite precipitates at the boundaries of bainite ferrite, steel with such a microstructure is characterized by low impact strength and low fracture toughness. In order to preserve the favorable features of the bainitization process and to exclude brittleness, steels with a bainite microstructure that do not contain carbides (the so-called carbide-free bainite) have been developed, but contain a significant share of carbon-enriched residual austenite. Bainite without carbons

PL 234 049 B1 wy otrzymuje się w procesie, w którym etap wyżarzania izotermicznego w zakresie przemiany bainitycznej zostaje zakończony zanim rozpocznie się wydzielanie węglików. Zahamowanie wydzielania jest możliwe przy odpowiedniej zawartości krzemu i/lub aluminium (Si+Al > 1,5%). Jednak przy dłuższych czasach wytrzymania izotermicznego, pomimo dodatku tych pierwiastków, może dochodzić do zapoczątkowania procesów wydzieleniowych. Mikrostruktura bainitu bezwęglikowego składa się z ferrytu bainitycznego w postaci listew lub płytek złożonych z subpłytek oraz z austenitu resztkowego. Poszczególne subpłytki ferrytu oddzielone są od siebie bardzo cienką warstwą austenitu resztkowego. W przypadku, gdy listwy bainitu bezwęglikowego mają wielkość nanometryczną, mamy do czynienia z tzw. nanobainitem.The material is obtained by a process in which the isothermal bainite annealing step is completed before the precipitation of carbides begins. Inhibition of precipitation is possible with appropriate silicon and / or aluminum content (Si + Al> 1.5%). However, with longer isothermal withstand times, despite the addition of these elements, precipitation processes may begin. The microstructure of carbide-free bainite consists of bainite ferrite in the form of strips or plates composed of sub-plates and of residual austenite. The individual ferrite plates are separated from each other by a very thin layer of residual austenite. When carbide-free bainite strips have a nanometric size, we deal with the so-called nanobainite.

Obecnie na świecie strukturę nanobainitu wytwarza się głównie w stalach niskostopowych o zawartości węgla najczęściej w zakresie 0,4-1,1% wag. C. Dąży się przy tym do obniżenia zawartości składników stopowych oraz do skrócenia czasu wytrzymania izotermicznego. Wysoką odporność na pękanie zapewnia tym stalom austenit resztkowy, a wytrzymałość ferryt bainityczny i rozdrobnienie mikrostruktury do skali nanometrycznej. Twórcy teorii wytwarzania nanobainitu uważają, że aby zachować wysoką odporność na pękanie mikrostruktura nie powinna zawierać wydzieleń, szczególnie w postaci wydłużonej [H. K. D. H. Bhadeshia: „Bainite in steels” 3^rd edition. Maney Publishing on behalf of the Institute of Materials, Minerals and Mining. United Kingdom 2015]. Z tego względu skład stali musi zawierać względnie dużą koncentrację (Si + Al)>1,5%, aby zapobiegać wydzielaniu się cementytu z ferrytu bainitycznego podczas wytrzymania izotermicznego - tworzenia się nanobainitu.Currently, in the world, the structure of nanobainite is mainly produced in low-alloy steels with a carbon content most often in the range of 0.4-1.1% by weight. C. The aim is to lower the content of alloying elements and shorten the isothermal resistance time. High fracture toughness is ensured by the residual austenite for these steels, and the strength by bainitic ferrite and microstructure refining to the nanometric scale. The inventors theory of preparation nanobainitu believe that to maintain a high resistance to cracking microstructure should not contain precipitates, particularly in the form of elongated [HKDH Bhadeshia "Bainite in steels" 3 ^rd edition. Maney Publishing on behalf of the Institute of Materials, Minerals and Mining. United Kingdom 2015]. Therefore, the composition of the steel must contain a relatively high concentration (Si + Al)> 1.5% in order to prevent the separation of cementite from the bainitic ferrite during isothermal resistance - nanobainite formation.

Opis składów chemicznych i obróbki cieplnej stali zbudowanych z ferrytu bainitycznego i austenitu resztkowego znajduje się w zgłoszeniach patentowych: WO2012031771, WO2010013054, WO1996022396. Skład chemiczny i metodę uzyskiwania struktury bainitycznej o wysokich właściwościach mechanicznych ujawniono również w opisach zgłoszeń patentowych i patentów: CN101586216, US20140102600, EP2714947.The description of the chemical compositions and heat treatment of steels made of bainitic ferrite and residual austenite can be found in the patent applications: WO2012031771, WO2010013054, WO1996022396. The chemical composition and method of obtaining a bainitic structure with high mechanical properties are also disclosed in the descriptions of patent applications and patents: CN101586216, US20140102600, EP2714947.

Wynalazek opisany w zgłoszeniu WO2012031771 dotyczy stali superbainitycznej o następującym składzie (% wag.): węgiel 0,4-1,1%, mangan 04-2,1%, krzem 0,15-1,2%, aluminium 0,0-2,0%, chrom 0,0-1,4%, nikiel 0,0-2,5%, molibden 0,0-0,6%, wanad 0,0-0,3%, kobalt 0,0-3,0%, fosfor <0,025%, siarka <0,025%, a resztę stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia. Stal ma strukturę bainitu z austenitem resztkowym (do 30% wag.), przy zachowaniu równowagi płytek bainitu wolnych od węglików i płytek bainitu zawierających węgliki. Stal otrzymuje się wykorzystując hartowanie izotermiczne w temperaturze z zakresu 220°C-300°C.The invention described in the application WO 2012031771 relates to a superbainite steel with the following composition (wt%): carbon 0.4-1.1%, manganese 04-2.1%, silicon 0.15-1.2%, aluminum 0.0- 2.0%, chromium 0.0-1.4%, nickel 0.0-2.5%, molybdenum 0.0-0.6%, vanadium 0.0-0.3%, cobalt 0.0- 3.0%, phosphorus <0.025%, sulfur <0.025%, the rest is iron and the inevitable impurities. The steel has a bainite structure with residual austenite (up to 30% by weight), while maintaining the balance of carbide-free bainite plates and carbide-containing bainite plates. The steel is obtained by isothermal quenching at a temperature in the range of 220 ° C-300 ° C.

Podobną mikrostrukturę ma stal nanobainityczna opisana w zgłoszeniu W02010013054, która zawiera (w % wag.): węgiel od 0,6% do 1,1%, mangan od 0,3% do 1,8%, nikiel do 3%, chrom od 0,5% do 1,5%, molibden do 0,5%, wanad do 0,2%, oraz krzem i aluminium w takiej ilości, aby otrzymać stal zasadniczo wolną od węglików. Udział austenitu resztkowego zawiera się w zakresie 10-50%.A similar microstructure is found in nanobainite steel described in the application WO2010013054, which contains (in% by weight): carbon from 0.6% to 1.1%, manganese from 0.3% to 1.8%, nickel to 3%, chromium from 0.5% to 1.5%, molybdenum up to 0.5%, vanadium up to 0.2%, and silicon and aluminum in amounts so as to obtain a substantially carbide free steel. The proportion of residual austenite is in the range of 10-50%.

W opisie europejskiego patentu EP2410070 opisano stal nanobainityczną o składzie chemicznym w procentach wagowych: węgiel od 0,6% do 1,1%, mangan od 0,3% do 1,8%, nikiel do 3%, chrom od 0,5% do 1,5%, molibden do 0,5%, wanad do 0,2%, krzem od 0,5% do 2,0%, gdzie resztę stanowi żelazo i przypadkowe zanieczyszczenia. Sposób wytwarzania bainitu w tej stali obejmuje etap przemiany w bainit przez schłodzenie stali w sposób wystarczająco szybki, aby uniknąć utworzenia perlitu, od temperatury powyżej temperatury przemiany austenitycznej do temperatury powyżej temperatury rozpoczęcia przemiany martenzytycznej, ale poniżej temperatury początku przemiany bainitycznej, i utrzymywanie stali w tym zakresie temperatur przez czas trwający do 3 dni. Czas wytrzymania zależy od temperatury wyżarzania izotermicznego. Zalecane temperatury wytrzymania izotermicznego w zakresie przemiany w bainit wynoszą 190°C lub więcej, najkorzystniej od 220°C do 260°C. Po takiej obróbce stal zawiera bainit w ilości pomiędzy 90% a 50%, a resztę stanowi austenit. Nadmiar węgla pozostaje wewnątrz ferrytu bainitycznego w stężeniu poza wartością odpowiadającą stanowi równowagi z częściowym przejściem węgla do austenitu resztkowego. Tak wytworzona stal nanobainityczna jest bardzo twarda, wykazuje wysoką odporność balistyczną i szczególnie nadaje się jako stal pancerna.The European patent EP2410070 describes nanobainite steel with a chemical composition in percent by weight: carbon from 0.6% to 1.1%, manganese from 0.3% to 1.8%, nickel to 3%, chromium from 0.5% up to 1.5%, molybdenum up to 0.5%, vanadium up to 0.2%, silicon from 0.5% to 2.0%, the rest being iron and incidental impurities. The method of producing bainite in this steel includes the step of converting to bainite by cooling the steel rapidly enough to avoid pearlite formation, from a temperature above the austenite transition temperature to a temperature above the martensitic transition temperature but below the bainite start temperature, and keeping the steel therein. temperature range for up to 3 days. The holding time depends on the isothermal annealing temperature. Recommended bainite isothermal withstand temperatures are 190 ° C or higher, most preferably 220 ° C to 260 ° C. After such treatment, the steel contains bainite in an amount between 90% and 50%, the rest being austenite. The excess carbon remains inside the bainite ferrite at a concentration beyond the equilibrium value with a partial transition of carbon to residual austenite. The nanobainite steel produced in this way is very hard, shows high ballistic resistance and is particularly suitable as armor steel.

Składy chemiczne stali ujawnione w przedstawionym powyżej stanie techniki różnią się zawartością węgla i kluczowymi składnikami stopowymi, do których należą pierwiastki węglikotwórcze (Cr, Mo, V, W, Ti, Nb), natomiast we wszystkich przypadkach zastosowano hartowanie izotermiczne w zakresie tworzenia bainitu. Należy podkreślić, że autorzy przytoczonych zgłoszeń nie wykorzystują mechanizmu umocnienia mikrostruktury węglikami stopowymi, lecz dążą do wytworzenia mikrostruktury bezwęglikowej.The chemical compositions of the steel disclosed in the above-mentioned prior art differ in carbon content and key alloying elements, which include carbide-forming elements (Cr, Mo, V, W, Ti, Nb), while in all cases isothermal hardening in the area of bainite formation. It should be emphasized that the authors of the cited applications do not use the mechanism of strengthening the microstructure with alloy carbides, but strive to produce a carbide-free microstructure.

PL 234 049 B1PL 234 049 B1

Stale o strukturze nanobainitu w praktyce nie są wykorzystywane do zastosowań na narzędzia, ponieważ mają zbyt niską twardość (HV<700), a w efekcie często niewystarczającą do wielu zastosowań odporność na ścieranie. Z kolei wysokowęglowe gatunki stali narzędziowych po konwencjonalnej obróbce hartowania i odpuszczania mogą osiągać twardość sięgającą 840HV, ale przy tym są bardzo kruche. W przypadku konwencjonalnych stali narzędziowych nie można zastosować hartowania izotermicznego celem wytworzenia nanobainitu bezwęglikowego jako osnowy dla węglików, gdyż ni e zawierają odpowiedniej ilość Si i/lub Al. Brak dodatku Si i/lub Al sprawia, że podczas przystanku izotermicznego na granicach ferrytu bainitycznego wydziela się cementyt (węglik), powodując kruchość osnowy tych stali, ponadto szerokość listew bainitu sięga kilku mikrometrów, a morfologia mikrostruktury osnowy jest typowa dla bainitu dolnego lub górnego.In practice, nanobainite steels are not used for tool applications because their hardness is too low (HV <700), and as a result, their abrasion resistance is often insufficient for many applications. On the other hand, high-carbon grades of tool steels can reach hardness of 840HV after conventional hardening and tempering treatment, but are also very brittle. With conventional tool steels, isothermal hardening cannot be used to produce carbide-free nanobainite as a matrix for carbides, since they do not contain the appropriate amount of Si and / or Al. The lack of the addition of Si and / or Al causes cementite (carbide) to precipitate during the isothermal stop at the boundaries of the bainite ferrite, making the matrix of these steels brittle, moreover, the width of the bainite strips reaches several micrometers, and the matrix microstructure morphology is typical for lower or upper bainite.

Obecny wynalazek miał na celu opracowanie bainitycznej stali narzędziowej o nanokrystalicznej lub submikronowej mikrostrukturze osnowy, w której rozmieszczone będą węgliki stopowe. Stal taka cechuje się wysokimi parametrami mechanicznymi i użytkowymi, w tym dużą odpornością na pękanie i na zużycie ścierne.The present invention aimed to develop a bainitic tool steel with a nanocrystalline or submicron matrix microstructure, in which alloy carbides will be arranged. Such steel is characterized by high mechanical and operational parameters, including high resistance to cracking and abrasive wear.

Bainityczna stal stopowa według wynalazku składa się z osnowy zbudowanej z płytek lub listew bezwęglikowego ferrytu bainitycznego, w zakresie pomiędzy 85% a 50%, a resztę osnowy stanowi austenit. Osnowa ta otacza drobnodyspersyjne węgliki stopowe. Stal według wynalazku zawiera następujące pierwiastki stopowe (w % wag.): węgiel od 0,60 do 2,30%, mangan od 0,40 do 2,50%, krzem od 0,50 do 3,00%, przynajmniej jeden z następujących pierwiastków węglikotwórczych o zawartości: chrom do 17,00%, molibden do 10,00%, wanad do 4,00%, przy czym spełnione muszą być zależności: (%Cr + % Mo + % V) > 2,25% wag. i (%Si+%Al) > 1,5%. Resztę stanowi żelazo i nieuniknione domieszki.The bainitic alloy steel according to the invention consists of a matrix composed of plates or strips of carbide-free bainitic ferrite ranging between 85% and 50%, the rest of the matrix being austenite. This matrix is surrounded by fine dispersion alloy carbides. The steel according to the invention contains the following alloying elements (in wt.%): Carbon from 0.60 to 2.30%, manganese from 0.40 to 2.50%, silicon from 0.50 to 3.00%, at least one of the following carbide-forming elements with the following content: chromium up to 17.00%, molybdenum up to 10.00%, vanadium up to 4.00%, the following relationships must be met: (% Cr +% Mo +% V)> 2.25% by weight . and (% Si +% Al)> 1.5%. The rest is iron and inevitable admixtures.

Pierwiastki węglikotwórcze mogą występować zamiennie w składzie chemicznym, w zależności od zastosowania, ale zawsze wśród nich musi znaleźć się przynajmniej jeden z grupy: Cr, Mo, V i spełniona musi być zależność: (%Cr+%Mo+%V)>2,25%. W zależności od przeznaczenia w skład stali wchodzi co najmniej jeden dodatek stopowy z grupy: wolfram do 18,00%, tytan do 0,2%, niob do 0,1%, aluminium do 2,00%, nikiel do 4,50%, kobalt do 10,00%, miedź do 1,20%.Carbide-forming elements may be interchangeable in their chemical composition, depending on the application, but they must always include at least one of the following groups: Cr, Mo, V and the relationship must be met: (% Cr +% Mo +% V)> 2.25% . Depending on the intended use, the steel includes at least one alloy additive from the group: tungsten up to 18.00%, titanium up to 0.2%, niobium up to 0.1%, aluminum up to 2.00%, nickel up to 4.50% , cobalt up to 10.00%, copper up to 1.20%.

Sposób wytwarzania stali bainitycznej według wynalazku polega na tym, że stal o składzie zdefiniowanym powyżej nagrzewa się do temperatury powyżej temperatury przemiany austenitycznej i chłodzi z szybkością większą od krytycznej do temperatury powyżej temperatury rozpoczęcia przemiany martenzytycznej, ale poniżej temperatury rozpoczęcia przemiany bainitycznej i utrzymuje się w tym zakresie temperatury przez czas umożliwiający wytworzenie co najmniej 50% struktury bainitycznej, bądź do chwili zapoczątkowania procesów wydzieleniowych w osnowie w danej temperaturze lub do momentu, gdy zawartość węgla w austenicie resztkowym osiągnie wartość zapewniającą stabilność temperaturową tego austenitu w temperaturze -40°C.The method of producing bainite steel according to the invention consists in that the steel of the composition defined above is heated to a temperature above the austenitic transformation temperature and cooled at a rate greater than the critical to a temperature above the martensitic transformation initiation temperature, but below the bainitic transformation initiation temperature, and remains at this temperature. temperature range for the time allowing for the production of at least 50% of the bainitic structure, or until the precipitation processes in the matrix begin at a given temperature or until the carbon content in the residual austenite reaches a value ensuring temperature stability of this austenite at -40 ° C.

Korzystnie jest dobrać tak temperaturę austenityzacji, aby stopowość austenitu stanowiącego osnowę dla nierozpuszczonych węglików znajdowała się w zakresie: węgiel od 0,45% do 1,20%, mangan od 0,4% do 2,5%, nikiel do 4,5%, krzem od 1,5% do 2,5%, udział pozostałych składników stopowych może być różny w zależności od zastosowanych dodatków stopowych.It is preferable to choose the austenitizing temperature so that the alloying of the austenite matrix for undissolved carbides is in the range: carbon from 0.45% to 1.20%, manganese from 0.4% to 2.5%, nickel to 4.5%. , silicon from 1.5% to 2.5%, the proportion of other alloying elements may vary depending on the alloy additives used.

Stal o składzie zdefiniowanym powyżej stosuje się na silnie obciążone elementy maszyn i narzędzi.Steel of the composition defined above is used for highly loaded machine and tool elements.

Temperatura przystanku izotermicznego dobierana jest w zależności od składu chemicznego austenitu, uzyskanego podczas austenityzacji. Korzystnie przystanek izotermiczny realizuje się w temperaturze Ti poniżej 320°C. Temperatura rozpoczęcia przemiany martenzytycznej wykazuje duże różnice w zależności od konkretnego składu stopu oraz od zastosowanej temperatury austenityzacji.The temperature of the isothermal stop is selected depending on the chemical composition of the austenite obtained during austenitization. Preferably, the isothermal stop is carried out at a temperature Ti below 320 ° C. The starting temperature of the martensitic transformation shows large differences depending on the specific alloy composition and the austenitization temperature used.

Chłodzenie stali z temperatury austenityzacji do temperatury przystanku izotermicznego odbywa się z szybkością większą od krytycznej, aby uniknąć wejścia w zakres przemian dyfuzyjnych, nim temperatura w całej objętości próbki ustabilizuje się na poziomie temperatury zamierzonego przystanku izotermicznego. Dobór parametrów obróbki prowadzony jest w oparciu o wykresy CTPc i CTPi dla składu chemicznego austenitu uzyskanego w zadanej temperaturze austenityzacji.The cooling of the steel from the austenitization temperature to the isothermal stop temperature takes place at a faster than the critical rate to avoid entering the diffusion transformations range, until the temperature in the entire sample volume stabilizes at the temperature of the intended isothermal stop. The selection of treatment parameters is based on the CTPc and CTPi diagrams for the chemical composition of austenite obtained at a given austenitization temperature.

W zależności od składu chemicznego stali oraz stawianych wymagań proponowana obróbka cieplna może być prowadzona zarówno bezpośrednio po przekuciu wlewków staliwnych, jak i po wszelkiego rodzaju zabiegach prowadzących do rozdrobnienia ziarna i/lub zwiększenia dyspersji wydzieleń (m.in. przesycanie i starzenie, hartowanie i odpuszczanie, celem wydzielenia drobnodyspersyjnych węglików stopowych).Depending on the chemical composition of the steel and the requirements, the proposed heat treatment can be carried out both directly after forging cast steel ingots and after all kinds of operations leading to grain refinement and / or increasing the dispersion of precipitates (including supersaturation and aging, hardening and tempering) to separate fine dispersion alloy carbides).

PL 234 049 B1PL 234 049 B1

Z uwagi na ryzyko utlenienia i/lub odwęglenia powierzchni wsadu spowodowanych wysoką temperaturą austenityzacji >880°C, etap austenityzacji najlepiej jest prowadzić w piecu próżniowym lub z atmosferą ochronną z chłodzeniem gazem obojętnym pod ciśnieniem.Due to the risk of oxidation and / or decarburization of the charge surface due to high austenitizing temperature> 880 ° C, the austenitizing step is best carried out in a vacuum or protective atmosphere furnace with pressure inert gas cooling.

Stal według wynalazku stanowi nową generację stali narzędziowych łączących w sobie twardość i wytrzymałość stali narzędziowych z odpornością na pękanie i plastycznością stali nanobainitycznych. Połączenie tych korzystnych właściwości zapewnia niespotykana dotąd mikrostruktura nanobainitu bezwęglikowego z austenitem resztkowym, która stanowi osnowę dla drobnodyspersyjnych węglików pierwotnych i/lub wtórnych. W celu zapewnienia odpowiedniej plastyczności i ciągliwości stali w mikrostrukturze musi pozostać powyżej 10% austenitu resztkowego.The steel according to the invention is a new generation of tool steels that combine the hardness and strength of tool steels with the fracture toughness and ductility of nanobainite steels. The combination of these advantageous properties is ensured by the unprecedented microstructure of carbide-free nanobainite with residual austenite, which forms the matrix for fine dispersion primary and / or secondary carbides. In order to ensure adequate ductility and ductility of the steel, the microstructure must remain above 10% of residual austenite.

Bainityczna stal narzędziowa o składzie chemicznym mieszczącym się w podanych zakresach składników stopowych, składa się z bardzo drobnych listew ferrytu bainitycznego (średnia grubości listew 200 nm lub mniej) poprzedzielanych austenitem resztkowym oraz węglików stopowych różniej wielkości, znajdujących się zarówno na granicach ziaren byłego austenitu, jak i w ich wnętrzu. Zalec ane temperatury hartowania izotermicznego w zakresie przemiany bainitycznej mieszczą się w zakresie 220:360°C, przy czym im niższa temperatura przystanku izotermicznego tym mniejsza grubość płytek bainitu i drobniejsza mikrostruktura osnowy. W przypadku stali o niskiej zawartości pierwiastków hamujących wydzielanie węglików ((Al + Si)<1,0%), zamiast struktury nanobainitycznej uzyskana zostanie struktura submikronowego bainitu dolnego z austenitem resztkowym jako osnową i węglikami stopowymi rozłożonymi równomiernie w objętości stali.Bainitic tool steel with a chemical composition within the given ranges of alloy components, consists of very fine bainitic ferrite strips (average strip thickness 200 nm or less) separated by residual austenite and alloy carbides of various sizes, located both at the grain boundaries of former austenite and and within them. The recommended isothermal hardening temperatures in the range of bainite transformation are in the range of 220: 360 ° C, the lower the isothermal stop temperature, the smaller the thickness of the bainite plates and the finer the matrix microstructure. In the case of steels with a low content of elements inhibiting the precipitation of carbides ((Al + Si) <1.0%), instead of a nanobainite structure, a sub-micron bottom bainite structure with residual austenite as a matrix and alloy carbides uniformly distributed throughout the steel volume will be obtained.

Stal według wynalazku ma inny skład chemiczny i odmienną mikrostrukturę niż stale ujawnione w dokumentach stanowiących stan techniki, np. EP2410070. W osnowie znajdują się zarówno węgliki pierwotne, jak i wtórne. Węgliki te rozlokowane są na granicach ziaren byłego austenitu oraz w ich wnętrzu. Wytworzenie osnowy nanobainitycznej dla węglików pierwotnych i wtórnych poprawia odporność na pękanie i zmniejsza kruchość stali narzędziowych w porównaniu do obecnie stosowanych rozwiązań. Dodatek Si i/lub Al w ilości > 1,5% zapobiega wydzielaniu się cementytu z ferrytu bainitycznego, w wyniku czego uzyskuje się odporną na pękanie osnowę nanobainityczną. Nadmiar węgla pozostaje wewnątrz ferrytu bainitycznego, w stężeniu poza wartością odpowiadającą stanowi równowagi. Obecność bardzo twardych węglików stopowych w osnowie bainityczno-austenitycznej pozwala na uzyskanie twardości sięgającej 800 HV, oraz bardzo dobrej odporności na ścieranie.The steel according to the invention has a different chemical composition and a different microstructure than the steels disclosed in prior art documents, e.g. EP2410070. There are both primary and secondary carbides in the matrix. These carbides are located on the boundaries of the former austenite grains and inside them. The production of a nanobainite matrix for primary and secondary carbides improves the fracture toughness and reduces the brittleness of tool steels compared to currently used solutions. The addition of Si and / or Al in an amount> 1.5% prevents the separation of cementite from the bainite ferrite, resulting in a crack-resistant nanobainite matrix. The excess carbon remains inside the bainite ferrite at a concentration beyond the equilibrium value. The presence of very hard alloy carbides in the bainitic-austenitic matrix allows for a hardness of up to 800 HV and very good abrasion resistance.

Podwyższenie odporności na ścieranie i wysoką twardość oraz wytrzymałość uzyskano dzięki mechanizmowi umocnienia wydzieleniowego węglikami stopowymi, oraz mechanizmowi umocnienia granicami ziaren. Umocnienie granicami ziaren uzyskuje się dzięki znacznym rozdrobnieniu mikrostruktury do wielkości nano lub submikronowych. Odpowiednią plastyczność i odporność na pękanie zapewnia obecność austenitu resztkowego w postaci nanometrycznych warstw. Z uwagi na liczne miejsca zarodkowania listwy ferrytu bainitycznego mogą zarodkować na granicach ziaren oraz na węglikach stopowych. Zarodkowanie listew ferrytu bainitycznego na węglikach stopowych dodatkowo rozdrabnia mikrostrukturę i może skutkować uzyskaniem morfologii mikrostruktury typu „acicular” (listwy ferrytu bainitycznego rozchodzą się promieniście wokół węglika na którym się tworzą). Uzyskanie powyższej morfologii dodatkowo podwyższa odporność na pękanie stali według wynalazku. Zastosowanie hartowania izotermicznego stali pozwala wytworzyć mikrostrukturę o nanometrycznej (d<100 nm) lub submikronowej (100<d<1 μm) grubości płytek ferrytu bainitycznego, który nie zawiera wydzieleń cementytu i stanowi osnowę dla twardych węglików stopowych. Obecność twardych węglików stopowych znacznie podnosi odporność na ścieranie. W zależności od aplikacji i wymagań stawianych elementom wykonanym ze stali według wynalazku, dobiera się skład chemiczny tak, aby uzyskać najkorzystniejsze właściwości mechaniczne i użytkowe. Zmiana składu chemicznego skutkuje zmianą zawartości poszczególnych węglików stopowych w mikrostrukturze. Pierwiastki węglikotwórcze mogą występować zamiennie w składzie chemicznym, w zależności od zastosowania. Podobnie zawartość poszczególnych dodatków stopowych zależeć będzie od zastosowania. Niezależnie od aplikacji, stal według wynalazku będzie mieć zawsze mikrostrukturę bainitu bezwęglikowego jako osnowę dla węglików stopowych.Increasing the abrasion resistance and high hardness and strength was achieved thanks to the mechanism of precipitation hardening with alloy carbides and the mechanism of strengthening with grain boundaries. Strengthening by grain boundaries is achieved thanks to the significant fragmentation of the microstructure to nano or submicron sizes. Adequate plasticity and fracture toughness are ensured by the presence of residual austenite in the form of nanometric layers. Due to the numerous nucleation sites, the bainite ferrite strips can nucleate at the grain boundaries and on the alloy carbides. Nucleation of bainitic ferrite strips on the alloy carbides additionally refines the microstructure and may result in obtaining an acicular microstructure morphology (the bainitic ferrite strips radiate around the carbide on which they are formed). Obtaining the above morphology further increases the fracture toughness of the steel according to the invention. The use of isothermal hardening of steel allows for the production of a microstructure with nanometric (d <100 nm) or submicron (100 <d <1 μm) thickness of bainitic ferrite plates, which does not contain cementite precipitates and is the matrix for hard alloy carbides. The presence of hard alloy carbides significantly increases the wear resistance. Depending on the application and requirements for elements made of steel according to the invention, the chemical composition is selected in order to obtain the best mechanical and functional properties. Changing the chemical composition changes the content of individual alloy carbides in the microstructure. Carbide-forming elements may be interchangeable in their chemical composition, depending on the application. Likewise, the content of the individual alloying elements will depend on the application. Regardless of the application, the steel according to the invention will always have the microstructure of carbide-free bainite as the matrix for the alloy carbides.

Składem chemicznym austenitu przed hartowaniem izotermicznym można sterować podczas procesu austenityzacji. Zwiększenie temperatury austenityzacji skutkuje rozpuszczeniem większej objętości wtórnych węglików stopowych, co podnosi zawartość węgla i pierwiastków stopowych w austenicie. Zwiększenie stopowości austenitu wpływa na zmianę zakresu temperatur i czasu przemian fazowych w stali. Dlatego też parametry hartowania izotermicznego w dużej mierze zależą od warunków austenityzacji. W zależności od tych warunków przystanek temperaturowy może znajdowaćThe chemical composition of austenite before isothermal quenching can be controlled during the austenitizing process. Increasing the austenitizing temperature results in the dissolution of a greater volume of secondary alloy carbides, which increases the content of carbon and alloying elements in the austenite. Increasing the alloying of austenite affects the temperature range and time of phase transformations in steel. Therefore, the parameters of isothermal hardening largely depend on the austenitizing conditions. Depending on these conditions, a temperature stop may be found

PL 234 049 B1 się w zakresie: od temperatury Ms (temperatura zapoczątkowania przemiany martenzytycznej) do temperatury Ms (temperatura zapoczątkowania przemiany bainitycznej).The range is from the Ms temperature (martensitic transformation initiation temperature) to the Ms temperature (bainite initiation temperature).

Stale według wynalazku mogą być stosowane do produkcji części maszyn i urządzeń, od których wymagana jest wysoka twardość i odporność na ścieranie, produkcji narzędzi do obróbki drewna, nożyc do cięcia blach, stempli, wykrojników, frezów, matryc, itp.The steels according to the invention can be used for the production of machine and device parts requiring high hardness and abrasion resistance, the production of woodworking tools, sheet metal shears, punches, punches, cutters, dies, etc.

Wynalazek został bliżej przedstawiony w przykładach.The invention is illustrated in the examples.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Stop według analizy chemicznej zawiera wagowo: 2,30% węgla, 0,80% manganu, 0,40% niklu 2,00% krzemu, 11,95% chromu, 0,22% molibdenu, 0,17% wanadu, 0,20% wolframu, resztę stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia. Stop przygotowano jako 5 kg wlewek wytopiony w próżniowym piecu indukcyjnym z użyciem surowców o wysokiej czystości. Po stopieniu w tyglu grafitowym z warstwą ceramiczną od strony kąpieli i odgazowaniu stop był wlewany do formy grafitowej, także z powłoką ceramiczną. Po wyjęciu wytopów i odcięciu części z dziurami usadowymi zostały one poddane wygrzewaniu we wspomnianym piecu w temperaturze 1200°C przez 48 h. Zastosowano termoparę typu N. Przedmiotowy wytop umieszczony był w tulei ze stali kwasoodpornej, a ta nagrzewana była prądami wirowymi. Następnie materiał był poddany procesowi kucia na pręty o średnicy 16 mm, przy użyciu młotka o sile opadającej 100 kg. Po przekuciu materiał poddano powolnemu ochładzaniu. W tych warunkach pręty charakteryzowały się twardością 540 HV2. Następnie pręty zostały zmiękczone w piecu z atmosferą ochronną azotu w procesie obróbki cieplnej:According to chemical analysis, the alloy contains by weight: 2.30% carbon, 0.80% manganese, 0.40% nickel, 2.00% silicon, 11.95% chromium, 0.22% molybdenum, 0.17% vanadium, 0, 20% tungsten, the rest is iron and the inevitable impurities. The alloy was prepared as a 5 kg ingot smelted in a vacuum induction furnace using high purity raw materials. After melting in a graphite crucible with a ceramic layer on the bath side and degassing, the alloy was poured into a graphite mold, also with a ceramic coating. After the melts were taken out and the parts with hollow holes were cut off, they were annealed in the aforementioned furnace at the temperature of 1200 ° C for 48 hours. A type N thermocouple was used. The melt in question was placed in an acid-resistant steel sleeve, and it was heated by eddy currents. Then the material was subjected to the process of forging into bars with a diameter of 16 mm using a 100 kg dropping hammer. After forging, the material was slowly cooled down. Under these conditions, the bars had a hardness of 540 HV2. Then the bars were softened in a furnace with a nitrogen protective atmosphere in the process of heat treatment:

- grzanie z prędkością 2°C/min do 880°C- heating at a rate of 2 ° C / min to 880 ° C

- wytrzymanie izotermiczne w 880°C przez 0,5 h- isothermal resistance at 880 ° C for 0.5 h

- chłodzenie do 860°C z szybkością 1°C/min- cooling to 860 ° C at a rate of 1 ° C / min

- wytrzymanie izotermiczne w 860°C przez 2 h- isothermal resistance at 860 ° C for 2 hours

- chłodzenie do 720°C z szybkością 1°C/min- cooling to 720 ° C at the rate of 1 ° C / min

- wytrzymanie izotermiczne w 720°C przez 2 h- isothermal resistance at 720 ° C for 2 hours

- chłodzenie z piecem do temperatury pokojowej- cooling with oven to room temperature

Materiał po zmiękczaniu posiadał twardość 325 HV2. Z tak przygotowanych prętów wycięto próbki do badań. Próbki te poddano austenityzacji w temperaturze 950°C przez 30 minut, a następnie przemianie bainitycznej poprzez obróbkę hartowania izotermicznego w temperaturze 260°C przez 19 godzin.The material after softening had a hardness of 325 HV2. Test samples were cut out of the bars prepared in this way. These samples were austenitized at 950 ° C for 30 minutes followed by a bainite transformation by an isothermal quench treatment at 260 ° C for 19 hours.

Tak obrobiona stal charakteryzuje się następującymi właściwościami:The steel treated in this way is characterized by the following properties:

- mikrostruktura składa się z osnowy zbudowanej z listew bezwęglikowego ferrytu bainitycznego o szerokości od 60 do 250 nm, poprzedzielanych warstwami austenitu resztkowego o objętości względnej wynoszącej ok. 20%. Powyższa mikrostruktura stanowi osnowę dla równomiernie rozmieszczonych węglików stopowych typu M7C3 o owalnym kształcie, bogatych w chrom, których objętość względna wynosi 23%.- the microstructure consists of a matrix made of carbide-free bainitic ferrite strips with a width of 60 to 250 nm, separated by layers of residual austenite with a relative volume of about 20%. The above microstructure forms the matrix for the evenly spaced, oval-shaped, chromium-rich M7C3 alloy carbides with a relative volume of 23%.

- twardość stali po tym procesie wynosi 660 HV2.- the hardness of the steel after this process is 660 HV2.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Przykład przedstawia stal o składzie chemicznym jak w przykładzie 1, ale obrobioną cieplnie przy zadaniu innych parametrów obróbki cieplnej. Próbki stalowe poddano austenityzacji w temperaturze 1000°C przez 30 minut, a następnie przemianie bainitycznej poprzez obróbkę cieplną polegającą na hartowaniu izotermicznym w temperaturze 260°C przez 12,5 godziny. Tak obrobiona stal charakteryzuje się następującymi właściwościami:The example shows a steel with a chemical composition as in Example 1, but heat treated with different heat treatment parameters. The steel samples were austenitized at 1000 ° C for 30 minutes, and then bainitized by heat treatment consisting of isothermal quenching at 260 ° C for 12.5 hours. The steel treated in this way is characterized by the following properties:

- mikrostruktura składa się z osnowy zbudowanej z listew bezwęglikowego ferrytu bainitycznego o szerokości od 60 do 250 nm, poprzedzielanych warstwami austenitu resztkowego o objętości względnej wynoszącej ok. 25%. Powyższa mikrostruktura stanowi osnowę dla równomiernie rozmieszczonych węglików stopowych typu M7C3 o owalnym kształcie, bogatych w chrom, których objętość względna wynosi 20%. Twardość stali po powyższym procesie wynosi 640 HV2.- the microstructure consists of a matrix made of carbide-free bainitic ferrite strips with a width of 60 to 250 nm, separated by layers of residual austenite with a relative volume of about 25%. The above microstructure forms the matrix for the evenly spaced, oval-shaped, chromium-rich M7C3 alloy carbides with a relative volume of 20%. The hardness of the steel after the above process is 640 HV2.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Stop według analizy chemicznej zawiera wagowo: 1,65% węgla, 1,00% manganu, 0,35% niklu, 2,00% krzemu, 1,45% aluminium, 0,35% miedzi, 4,75% chromu, 1,00% molibdenu, 1,40% wanadu, 1,90% wolframu, resztę stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia. Stop przygotowano jako 5 kg wlewek wytapiany w próżniowym piecu indukcyjnym z użyciem surowców o wysokiej czystości. Po stopieniu w tyglu grafitowym z warstwą ceramiczną od strony kąpieli i odgazowaniu stop był wlewany do formy grafitowej, także z powłoką ceramiczną. Po wyjęciu wytopów i odcięciu części z dziurami usadowymi zostały one poddane wygrzewaniu we wspomnianym piecu w temperaturze 1200°C przez 48 h.According to chemical analysis, the alloy contains by weight: 1.65% carbon, 1.00% manganese, 0.35% nickel, 2.00% silicon, 1.45% aluminum, 0.35% copper, 4.75% chromium, 1 .00% molybdenum, 1.40% vanadium, 1.90% tungsten, the rest iron and the inevitable impurities. The alloy was prepared as a 5 kg ingot smelted in a vacuum induction furnace using high purity raw materials. After melting in a graphite crucible with a ceramic layer on the bath side and degassing, the alloy was poured into a graphite mold, also with a ceramic coating. After the melts were taken out and the portions were cut off, they were annealed in the aforementioned furnace at a temperature of 1200 ° C for 48 hours.

PL 234 049 B1PL 234 049 B1

Przedmiotowy wytop umieszczony był w tulei ze stali kwasoodpornej, a ta nagrzewana była prądami wirowymi. Następnie materiał poddano procesowi kucia na pręty o średnicy 16 mm, przy wykorzystaniu młotka o sile opadającej 100 kg. Po przekuciu materiał poddano powolnemu ochładzaniu. W tych warunkach pręty charakteryzowały się twardością 655 HV2. Pręty zostały zmiękczone w następującym procesie obróbki cieplnej:The melt in question was placed in a stainless steel sleeve, which was heated by eddy currents. Then the material was forged into bars with a diameter of 16 mm, using a 100 kg dropping hammer. After forging, the material was slowly cooled down. Under these conditions, the bars had a hardness of 655 HV2. The bars were softened by the following heat treatment process:

- grzanie z prędkością 2°C/s do temperatury 930°C- heating at a rate of 2 ° C / s to a temperature of 930 ° C

- wytrzymanie izotermiczne w 930°C przez 2 h- isothermal resistance at 930 ° C for 2 hours

- chłodzenie do 730°C z szybkością 20°C/min- cooling to 730 ° C at a rate of 20 ° C / min

- wytrzymanie izotermiczne w 730°C przez 2 h- isothermal resistance at 730 ° C for 2 hours

- chłodzenie z piecem do temperatury pokojowej.- cooling with oven to room temperature.

Materiał po zmiękczaniu posiadał twardość 340 HV2. Z tak przygotowanych prętów wycięto próbki do badań właściwości mechanicznych. Próbki te poddano austenityzacji w temperaturze 950°C przez 30 minut, a następnie przemianie bainitycznej poprzez obróbkę hartowania izotermicznego w temperaturze 260°C przez 19 godzin.The material after softening had a hardness of 340 HV2. Samples for testing mechanical properties were cut from the bars prepared in this way. These samples were austenitized at 950 ° C for 30 minutes followed by a bainite transformation by an isothermal quench treatment at 260 ° C for 19 hours.

- mikrostruktura składa się z osnowy zbudowanej z listew bezwęglikowego ferrytu bainitycznego o szerokości od 70 do 280 nm, poprzedzielanych warstwami austenitu resztkowego o objętości względnej równej 20%. Powyższa mikrostruktura stanowi osnowę dla równomiernie rozmieszczonych węglików wolframu, wanadu, chromu i molibdenu, których objętość względna wynosi 15%.- the microstructure consists of a matrix made of carbide-free bainitic ferrite strips with a width of 70 to 280 nm, separated by layers of residual austenite with a relative volume equal to 20%. The above microstructure forms the matrix for the evenly spaced carbides of tungsten, vanadium, chromium and molybdenum, the relative volume of which is 15%.

- twardość stali po procesie wynosi 670 HV2.- the hardness of the steel after the process is 670 HV2.

P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4

Przykład 4 przedstawia stal o składzie chemicznym jak w przykładzie 3, ale obrobioną cieplnie przy zadaniu innych parametrów obróbki cieplnej. Próbki stalowe poddano austenityzacji w temperaturze 950°C przez 30 minut, a następnie wytrzymaniu izotermicznemu w temperaturze 215°C przez 72 godziny.Example 4 shows a steel with the chemical composition of Example 3 but heat treated with different heat treatment parameters. The steel samples were austenitized at 950 ° C for 30 minutes and then isothermally passed at 215 ° C for 72 hours.

- mikrostruktura składa się z osnowy zbudowanej z listew bezwęglikowego ferrytu bainitycznego o szerokości od 60 do 250 nm, poprzedzielanych warstwami austenitu resztkowego o objętości względnej równej 15%. Powyższa mikrostruktura stanowi osnowę dla równomiernie rozmieszczonych węglików wolframu, wanadu, chromu i molibdenu, których objętość względna wynosi 13%.- the microstructure consists of a matrix composed of carbide-free bainitic ferrite strips 60 to 250 nm wide, separated by layers of residual austenite with a relative volume of 15%. The above microstructure forms the matrix for the evenly spaced carbides of tungsten, vanadium, chromium and molybdenum, the relative volume of which is 13%.

- twardość stali po procesie wynosi 695 HV2.- the hardness of the steel after the process is 695 HV2.

Claims

Patent claims

1. Bainitic alloy steel in which the matrix is made of carbide-free bainitic ferrite plates or strips in the range between 85% and 50%, and the rest of the matrix is austenite, characterized in that it contains: carbon from 0.60 to 2.30% by weight ., manganese from 0.40 to 2.50 wt.%, silicon from 0.50 to 3.00 wt.%, at least one of the following carbide-forming elements with the content: chromium up to 17.00 wt.%, molybdenum up to 10, 00% by weight, vanadium up to 4.00% by weight, the rest is iron and trace amounts of unavoidable impurities, and also contains at least one alloying additive, the relationships must be met: (% Cr +% Mo +% V) > 2.25 wt.% and (% Si +% Al)> 1.5%, and the matrix is surrounded by fine dispersion alloy carbides.

2. Bainitic alloy steel according to claim 3. The alloy of claim 1, characterized in that the alloying additive is selected from: tungsten up to 18.00%, titanium up to 0.2%, niobium up to 0.1%, aluminum up to 2.00%, nickel up to up to 4.50%, cobalt up to 10.00%, copper up to 1.20%.

3. A method of producing bainitic alloy steel in which the matrix is made of plates or strips of carbide-free bainitic ferrite in the range between 85% and 50%, and the rest of the matrix is austenite, whereby the steel is heated to a temperature above the austenitic transformation temperature and it cools at a rate greater than the critical to a temperature above the martensitic initiation temperature, but below the bainite initiation temperature, and is maintained within this temperature range, characterized by the use of a steel composition: carbon from 0.60 to 2.30 wt.%. %, manganese from 0.40 to 2.50 wt.%, silicon from 0.50 to 3.00 wt.%, at least one of the following

The number of carbide-forming elements containing: chromium up to 17.00% by weight, molybdenum up to 10.00% by weight, vanadium up to 4.00% by weight, the rest is iron and trace amounts of unavoidable impurities, and containing at least one alloying addition, the relationships must be met: (% Cr +% Mo +% V)> 2.25% by weight and (% Si +% Al)> 1.5%.

4. The method according to p. 3. A method according to claim 3, characterized in that the alloying additive is selected from: tungsten up to 18.00%, titanium up to 0.2%, niobium up to 0.1%, aluminum up to 2.00%, nickel in the amount of up to 4.50%, cobalt up to 10.00%, copper up to 1.20%.

5. The method according to p. 3. The method of claim 3 or 4, characterized in that the austenitization temperature is selected so that the alloying of the austenite matrix for the undissolved carbides is in the range: carbon from 0.45% to 1.20% by weight, manganese from 0.4% to 2, % 5% by weight, nickel to 4.5% by weight, silicon from 1.5% to 2.5% by weight.

6. The method according to p. 3. The method of claim 3, characterized in that the temperature of the isothermal stop is maintained for a time that enables the production of at least 50% of the bainitic structure, or until the precipitation processes begin at a given temperature or until the carbon content in the residual austenite reaches a value ensuring temperature stability of this austenite at the temperature -40 ° C.

7. The method according to p. The process of claim 3, characterized in that the isothermal stop is performed at a temperature below the bainite initiation temperature.

8. The use of bainitic alloy steel with the composition: carbon from 0.60 to 2.30% by weight, manganese from 0.40 to 2.50% by weight, silicon from 0.50 to 3.00% by weight, at least one of the following carbide-forming elements with the following content: chromium up to 17.00% by weight, molybdenum up to 10.00% by weight, vanadium up to 4.00% by weight, and the rest is iron and trace amounts of unavoidable impurities, and also containing at least one alloy addition, the following relationships must be met: (% Cr +% Mo +% V)> 2.25% by weight and (% Si +% Al)> 1.5%, in which the matrix is made of carbide-free bainitic ferrite plates or strips in the range between 85% and 50%, and the rest of the matrix is austenite, with the matrix surrounding the fine dispersion alloy carbides as steel intended for highly loaded elements of machines and tools.

Use according to claim 1 8. A method according to claim 8, characterized in that the alloying additive is selected from: tungsten up to 18.00%, titanium up to 0.2%, niobium up to 0.1%, aluminum up to 2.00%, nickel in up to 4.50%, cobalt up to 10.00%, copper up to 1.20%.