PL236222B1

PL236222B1 - Stal na monolityczne i bimetaliczne piły taśmowe do drewna

Info

Publication number: PL236222B1
Application number: PL425197A
Authority: PL
Inventors: Jan KLEPUSZEWSKI; Jan Klepuszewski; Piotr BAŁA; Piotr Bała
Original assignee: Klepuszewska Grazyna Qsgs Tech
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2020-12-28
Also published as: US20210017634A1; PL425197A1; EA202092042A1; UA126419C2; EP3775300A1; EA039425B1; EP3775300B1; CN112041469A; WO2019199193A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stal przeznaczona na monolityczne i bimetaliczne piły taśmowe do cięcia drewna.

Piła taśmowa to narzędzie zasadniczo do pracy na zimno, lecz specyfika pracy, tj. cięcie różnego rodzaju materiałów, zwłaszcza drewna, i w różnych warunkach, może powodować jej lokalne nagrzewanie do wysokich temperatur. Oprócz możliwego wzrostu temperatury, piły taśmowe podlegają obciążeniom cyklicznie zmiennym w wyniku czego pękają zmęczeniowo. Sama piła to zębata taśma o obwodzie zamkniętym napięta między dwoma lub trzema kołami, z których jedno jest napędzane. Taśmy monolityczne to takie, które wykonane są w całości z jednego materiału. Taśmy bimetaliczne zasadniczo składają się z taśmy nośnej i ostrzy wykonanych z różnych materiałów celem wykorzystania różnych ich właściwości, jak wytrzymałość zmęczeniowa czy właściwości tnące. Dlatego na piły taśmowe używane są gatunki stali stopowych, a jedną z najważniejszych własności jest ich odpowiednia mikrostruktura.

Dla zapewnienia odpowiednich właściwości tnących oraz wytrzymałości zmęczeniowej mikrostruktura piły taśmowej musi cechować się drobnym ziarnem o wielkości odpowiadającej ziarnom pierwotnego austenitu (minimum w klasie 9, a najlepiej w klasie 11-12 wg ASTM), i musi być złożona z wysokoodpuszczonego martenzytu bez pierwotnych i wtórnych wydzieleń węglików.

Znane i aktualnie stosowane na monolityczne i bimetaliczne piły taśmowe do drewna są głównie trzy gatunki stali stopowych: 32CrMoV12, D6A, 51CrV4. Stal 32CrMoV12 jest stalą stopową o niskiej zawartości węgla (średnio 0,32% wag.) i przeznaczona jest na taśmy bimetaliczne jako taśma nośna. Stal ta zawiera średnio 2,7% Cr, 1,1% Mo, 0,6% Ni i 0,3% V. Między innymi ze względu na skład chemiczny jest to drogi gatunek stali wysokostopowej, i przy jej zastosowaniu nie jest możliwe uzyskanie dobrych właściwości tnących, gdyż zawiera tylko 0,32% C. Stal D6A zawiera średnio 0,45% C, 1% Cr, 1% Mo, 0,5% Ni i 0,1%V i jest również gatunkiem drogim. Stal ta ma lepsze właściwości tnące niż stal 32CrMoV12, ale jednocześnie charakteryzuje się większą skłonnością do rozrostu ziarna podczas austenityzowania. Oba w/w gatunki, ze względu na złożony skład chemiczny, wymagają podczas obróbki cieplnej wysokiej temperatury austenityzowania z zakresu 1070:1120°C. Stal 51CrV4 to zasadniczo stal sprężynowa stosowana na piły taśmowe, zawierająca średnio 0,5% C, 0,65% Mn, 0,95% Cr, 0,15% V. Charakteryzuje się ona niską hartownością, tj. zdolnością do uzyskiwania mikrostruktury martenzytycznej. Obecność wanadu w jej składzie chemicznym ma zabezpieczać przed rozrostem ziarna austenitu podczas austenityzowania przed hartowaniem. W standardowych piecach do obróbki cieplnej przy stosowaniu długich czasów austenityzacji wanad dobrze spełnia swoją rolę, jednak w liniach do ciągłej obróbki cieplnej, jak w przypadku pił taśmowych, czas austenityzacji jest krótki, i dlatego kompensuje się go znacznie wyższą temperaturą austenityzowania, w wyniku czego w piłach taśmowych ze stali 51CrV4 bardzo trudno jest sterować wielkością ziarna austenitu. Skład stali 51CrV4 powoduje, że albo nie udaje się rozpuścić wszystkich węglików, co jest konieczne do nasycenia osnowy pierwiastkami stopowymi i węglem, albo stal się przegrzewa i silnie rozrasta się ziarno austenitu, w wyniku czego nie ma ona dobrej odporności zmęczeniowej.

Niob jest powszechnie stosowanym składnikiem stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych o podwyższonych właściwościach mechanicznych. Jako mikrododatek w stalach konstrukcyjnych pozwala skutecznie zahamować rozrost ziarna poprzez wydzielenia węglików NbC podczas przeróbki termomechanicznej. Stale te nie są jednak obrabiane cieplnie drogą hartowania i wysokiego odpuszczania. Niob jest stosowany jako dodatek stopowy głównie dla ograniczenia korozji międzykrystalicznej stali austenitycznych, zwłaszcza elementów spawanych z tej stali. Niob wiąże cały węgiel w postaci NbC, lecz zwykle dodaje się go w dużym nadmiarze np. w ilości 10 x %C. Ponadto dodatek niobu do stali żarowytrzymałych daje także efekt utwardzenia wydzieleniowego przez związki międzymetaliczne lub przez NbC. Rozpuszczony w roztworze stałym niob, zwiększa hartowność stali oraz znacznie poprawia właściwości mechaniczne w podwyższonych temperaturach. Uzyskanie takich charakterystyk stali wymaga jednak przesycania lub austenityzowania w temperaturach powyżej 1200°C. Do tej pory niob był jednak rzadko stosowany w stalach narzędziowych (np. stal na części pracujące zmęczeniowo wg patentu PL225572B1 oraz stal narzędziowa wg patentu PL227829B1 nie zawierają niobu) i nie wytwarzano pił taśmowych ze stali zawierających niob. W materiałach narzędziowych, jak na piły do cięcia drewna, od których wymaga się dużej wytrzymałości zmęczeniowej, źle dobrana zawartość niobu może powodować obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej i innych właściwości mechanicznych, np. twardości.

PL 236 222 B1

Celem wynalazku jest zapewnienie narzędziowej stali niżej stopowej od powszechnie stosowanych, która jest wolna od wad ze stanu techniki. Celem wynalazku jest zatem zapewnienie stali narzędziowej, niżej stopowej od powszechnie stosowanych, na piły taśmowe, mającej mikrostrukturę drobnoziarnistą, wysoką hartowność, wysoką twardość i dobrą wytrzymałości zmęczeniowej, a jednocześnie nadającej się do pracy zarówno na zimno jak i na gorąco przy dużej zmienności temperatur oraz przy lokalnym nagrzewaniu w trakcie pracy.

Dlatego proponuje się skład chemiczny stali dedykowanej na piły taśmowe monolityczne lub bimetaliczne z odpowiednią zawartością chromu, niklu i molibdenu oraz z dodatkiem niobu, pozwalający na rozwiązanie problemów ze stanu techniki.

Stal według wynalazku na monolityczne i bimetaliczne piły taśmowe, przeznaczona do obróbki cieplnej w sposób ciągły, zawiera wagowo od 0,50 do 0,75% manganu, od 0,4 do 0,8% niklu, od 0,1 do 0,4% krzemu, od 0,48 do 0,53% węgla, od 1,10 do 1,40% chromu, od 0,25 do 0,40% molibdenu, od 0,10 do 0,15% niobu, mniej niż po 0,02% siarki i fosforu, reszta żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia.

Korzystnie, stal zawiera wagowo 0,51% węgla, 1,3% chromu, 0,7% manganu, 0,15% krzemu, 0,52% niklu, 0,36% molibdenu, 0,12% niobu, 0,008% siarki oraz 0,010% fosforu.

Korzystnie, stal zawiera wagowo 0,49% węgla, 1,21% chromu, 0,76% manganu, 0,18% krzemu, 0,45% niklu, 0,31% molibdenu, 0,11% niobu, 0,005% siarki oraz 0,011% fosforu.

Również korzystnie, stal zawiera wagowo 0,51% węgla, 1,38% chromu, 0,66% manganu, 0,31% krzemu, 0,78% niklu, 0,29% molibdenu, 0,15% niobu, 0,005% siarki oraz 0,010% fosforu.

Stwierdzono, że obecność chromu, manganu, molibdenu i niklu w odpowiednich, wyżej wskazanych ilościach, które zapewniają wysoką hartowność stali, wraz z odpowiednią ilością węgla pozwala uzyskać wysoką twardość i odpowiednie właściwości mechaniczne. Dodatek niobu do wspomnianej kompozycji zapobiega natomiast rozrostowi ziarna, dzięki czemu stal zyskuje dobre właściwości zmęczeniowe. Ponadto dodatek ten jest tak dobrany, że nie powoduje obniżenia wytrzymałości zmęczeniowej i innych właściwości mechanicznych np. twardości.

Stal o składzie chemicznym według wynalazku przeznaczona jest zwłaszcza do obróbki cieplnej w sposób ciągły, gdzie stosuje się szybkie nagrzewanie wsadu 50: 1000°C/s, wysoką temperaturę austenityzowania (wyższą o 50-100°C od stosowanych w tradycyjnej obróbce cieplnej) oraz jej krótkie czasy (zależne od długości pieca i szybkości przesuwu taśmy, jednak nie dłuższe niż 120 sekund). Dzięki składowi chemicznemu stal nie ma skłonności do silnego rozrostu ziarna, dzięki czemu uzyskuje się bardzo dobrą odporność zmęczeniową przy równocześnie dobrych właściwościach tnących i mechanicznych. Ma to bezpośrednie przełożenie na efekt ekonomiczny dzięki rezygnacji z drogich gatunków stali stopowych oraz stosowaniu niższych temperatur austenityzowania i odpuszczania (niższych niż dla stali wyżej stopowych).

Ponadto skład chemiczny stali powoduje, że wydzielenia NbC hamują rozrost ziaren austenitu podczas nagrzewania indukcyjnego zębów pił monolitycznych oraz austenityzowania w liniach do obróbki ciągłej z piecami przesuwnymi. W procesie hartowania indukcyjnego zębów oraz w liniach do ciągłej obróbki pił mamy do czynienia z wyższymi niż zalecane temperaturami austenityzowania, co w innych gatunkach jak np. 51CrV4 skutkuje rozrostem ziaren. Stal według wynalazku po zahartowaniu z zakresu temperatury 950:1000°C (czas austenityzowania 60-120 s) ma ziarno o wielkości ziaren pierwotnego austenitu w klasie 10-12 wg ASTM. Ponadto dodatek molibdenu w określonej powyżej ilości zapobiega kruchości odpuszczania II rodzaju.

Dodatkowo, stal według wynalazku - ze względu na niższy równoważnik węgla Ce - ułatwia spawanie laserowe drutu płaskiego ze stali szybkotnącej z grzbietem taśmy nośnej piły, wykonanej z nowej stali, w piłach bimetalicznych, co skutkuje wyższą wytrzymałością połączenia, a także ułatwia zgrzewanie wkładek z węglików spiekanych z wierzchołkami zębów w piłach węglikowych, co również skutkuje wyższą wytrzymałością połączenia.

Zawartość Mn w składzie stali może wynosić jak wskazano 0,5-0,75% wag. Za korzystne zawartości Mn w składzie stali uważa się wszystkie wartości objęte wskazanym powyżej zakresem, a zwłaszcza gdy zawartość Mn w stali wynosi wagowo: 0,5-0,7%, 0,5-0,66%, 0,66-0,75%, 0,66-0,70%, lub też 0,7-0,75%.

Zawartość Ni w składzie stali może wynosić jak wskazano 0,4-0,8% wag. Za korzystne zawartości Ni w składzie stali uważa się wszystkie wartości objęte wskazanym powyżej zakresem, a zwłaszcza gdy zawartość Ni w stali wynosi wagowo: 0,4-0,78%, 0,4-0,52%, 0,4-0,45%, 0,45-0,8%, 0,45-0,78%, 0,45-0,52%, 0,52-0,8%, 0,52-0,78%, lub też 0,78-0,8%.

PL 236 222 B1

Zawartość Si w składzie stali może wynosić jak wskazano 0,10-0,40% wag. Za korzystne zawartości Si w składzie stali uważa się wszystkie wartości objęte wskazanym powyżej zakresem, a zwłaszcza gdy zawartość Si w stali wynosi wagowo: 0,10-0,31%, 0,10-0,18%, 0,10-0,15%, 0,15-0,40%, 0,15-0,31%, 0,15-0,18%, 0,18-0,40%, 0,18-0,31%, lub też 0,31-0,40%.

Zawartość C w składzie stali może wynosić jak wskazano 0,48-0,53%. Za korzystne zawartości C w składzie stali uważa się wszystkie wartości objęte wskazanym powyżej zakresem, a zwłaszcza gdy zawartość C w stali wynosi wagowo: 0,48-0,51%, 0,48-0,49%, 0,49-0,53%, 0,49-0,51%, lub też 0,51-0,53%.

Zawartość Cr w składzie stali może wynosić jak wskazano 1,10-1,40% wag. Za korzystne zawartości Cr w składzie stali uważa się wszystkie wartości objęte wskazanym powyżej zakresem, a zwłaszcza gdy zawartość Cr w stali wynosi wagowo: 1,10-1,38%, 1,10-1,30%, 1,10-1,21%, 1,21-1,40%, 1,21-1,38%, 1,21-1,30%, 1,30-1,40%, 1,30-1,38%, lub też 1,38-1,40%.

Zawartość Mo w składzie stali może wynosić jak wskazano 0,25-0,40% wag. Za korzystne zawartości Mo w składzie stali uważa się wszystkie wartości objęte wskazanym powyżej zakresem, a zwłaszcza gdy zawartość Mo w stali wynosi wagowo: 0,25-0,36%, 0,25-0,31%, 0,25-0,29%, 0,29-0,40%, 0,29-0,36%, 0,29-0,31%, 0,31-0,40%, 0,31-0,36%, lub też 0,36-0,40%.

Zawartość Nb w składzie stali może wynosić jak wskazano 0,10-0,15% wag. Za korzystne zawartości Nb w składzie stali uważa się wszystkie wartości objęte wskazanym powyżej zakresem, a zwłaszcza gdy zawartość Nb w stali wynosi wagowo: 0,10-0,12%, 0,10-0,11%, 0,11-0,15%,

0,11-0,12%, lub też 0,12-0,15%.

Ilość P i S w składzie stali według wynalazku powinna być mniejsza niż 0,02% wag. każdego z nich.

Korzystne są też połączenia wszystkich w/w pierwiastków wchodzących w skład stali w ramach podanych powyżej zakresów.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony nieograniczająco w przykładach wykonania. Stal o składzie według poniższych przykładów wykonania może być otrzymana znanymi technikami wytopu (np. w piecu łukowym), jak również jej skład jakościowo-ilościowy może być oznaczany znanymi technikami pomiarowymi (np. spektrometrem iskrowym) pierwotnego.

P r z y k ł a d 1

Stal stopowa przeznaczona na monolityczne i bimetaliczne piły taśmowe zawiera: 0,51% C, 1,3% Cr, 0,7% Mn, 0,15% Si, 0,52% Ni, 0,36% Mo, 0,12% Nb, 0,008% S i 0,010% P, przy czym resztę stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia. Po zahartowaniu i odpuszczeniu na twardość około 470 HV10 (~47 HRC) uzyskano taśmy o wytrzymałości na rozciąganie średnio 1510 MPa, granicę plastyczności 1465 MPa i wydłużenie A80 równe 8%. Są to właściwości zbliżone dla gatunków D6A i 32CrMoV12 hartowanych i odpuszczanych na tą samą twardość około 470 HV, jednakże gatunki te są wyżej stopowe i wymagają zdecydowanie wyższej temperatury austenityzowania. Po zahartowaniu z zakresu temperatury 950:1000°C (czas austenityzowania 60-120 s) uzyskano ziarno o wielkości ziaren pierwotnego austenitu w klasie 11 wg ASTM. Natomiast w tej samej próbie gatunek 51CrV zahartowany i odpuszczony na twardość około 470 HV10 ma wytrzymałość na rozciąganie średnio 1480 MPa, granicę plastyczności 1415 MPa i niskie wydłużenie A80 równe 3,9%.

P r z y k ł a d 2

Stal stopowa przeznaczona na monolityczne i bimetaliczne piły taśmowe zawiera: 0,49% C, 1,21% Cr, 0,75% Mn, 0,18% Si, 0,45% Ni, 0,31% Mo, 0,11% Nb, 0,005% S i 0,011% P, przy czym resztę stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia. Po zahartowaniu i odpuszczeniu na twardość około 470 HV10 (~47 HRC) uzyskano taśmy o wytrzymałości na rozciąganie średnio 1490 MPa, granicę plastyczności 1450 MPa i wydłużenie A80 równe 8,5%. Po zahartowaniu z zakresu temperatury 950:1000°C (czas austenityzowania 60-120 s) uzyskano ziarno o wielkości ziaren pierwotnego austenitu w klasie 10-11 wg ASTM.

P r z y k ł a d 3

Stal stopowa przeznaczona na monolityczne i bimetaliczne piły taśmowe zawiera: 0,51% C, 1,38% Cr, 0,66% Mn, 0,31% Si, 0,78% Ni, 0,29% Mo, 0,15% Nb, 0,005% S i 0,011% P, przy czym resztę stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia. Po zahartowaniu i odpuszczaniu na twardość około 470 HV10 (~47 HRC) uzyskano taśmy o wytrzymałości na rozciąganie średnio 1520 MPa, granicę plastyczności 1470 MPa i wydłużenie A80 równe 7,8%. Po zahartowaniu z zakresu temperatury 950:1000°C (czas austenityzowania 60-120 s) uzyskano ziarno o wielkości ziaren pierwotnego austenitu w klasie 11-12 wg ASTM.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Stal na monolityczne i bimetaliczne piły taśmowe, przeznaczona do obróbki cieplnej w sposób ciągły, zawierająca wagowo od 0,50 do 0,75% manganu, od 0,4 do 0,8% niklu, od 0,1 do 0,4% krzemu, od 0,48 do 0,53% węgla, od 1,10 do 1,40% chromu, od 0,25 do 0,40% molibdenu, od 0,10 do 0,15% niobu, mniej niż po 0,02% siarki i fosforu, reszta żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia.
2. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera wagowo 0,51% węgla, 1,3% chromu, 0,7% manganu, 0,15% krzemu, 0,52% niklu, 0,36% molibdenu, 0,12% niobu, 0,008% siarki oraz 0,010% fosforu.
3. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera wagowo 0,49% węgla, 1,21% chromu, 0,76% manganu, 0,18% krzemu, 0,45% niklu, 0,31% molibdenu, 0,11% niobu, 0,005% siarki oraz 0,011% fosforu.
4. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera wagowo 0,51% węgla, 1,38% chromu, 0,66% manganu, 0,31% krzemu, 0,78% niklu, 0,29% molibdenu, 0,15% niobu, 0,005% siarki oraz 0,010% fosforu.