RO115276B1

RO115276B1 - Otel martensitic, inoxidabil, cu prelucrabilitate imbunatatita

Info

Publication number: RO115276B1
Application number: RO94-01014A
Authority: RO
Inventors: Olivier Bletton; Jacques Bayol; Pascal Terrien
Original assignee: Ugine Savoie Sa
Priority date: 1993-06-14
Filing date: 1994-06-13
Publication date: 1999-12-30
Also published as: KR100338886B1; JP3398772B2; NO942168L; DK0629714T3; NO303180B1; SG48134A1; TR28472A; IL109919A0; ES2145109T3; SI0629714T1; FI942801A; FI942801A0; JPH07150308A; PT629714E; DE69423930D1; CZ141994A3; EP0629714B1; US5427635A; EG20378A; PL179128B1

Description

Invenția se referă la un oțel martensitic, cu prelucrabilitate îmbunătățită, fiind utilizat în construcția de mașini și, în special, la producerea sculelor de prelucrare, din diferite domenii industriale.

Sunt cunoscute oțeluri cu conținut ridicat de crom, brevet US 3,653,982, care au, în compoziție, 6% la 12% crom, între 0,6% și 1,2 % carbon, între 0,5% și 5% molibden, până la 5% wolfram, până la 2% vanadiu, până la 3% nichel, până la 5% cobalt, până la 1,5% siliciu, până la 2% mangan, iar restul fiind fier. La acest oțel, raportul dintre cantitatea de crom și carbon, în structură, trebuie să fie de 7:1 până la 25:1.

Aceste oțeluri prezintă dezavantajul că nu au o prelucrabilitate corespunzătoare.

De asemenea, mai sunt cunoscute oțeluri de scule, brevet FR 2.666.351, a căror copoziție chimică este alcătuită din 0,2% la 2% carbon, de la 0,2% la 2% mangan, de la 0,35% la 20% crom, mai puțin de 5% vanadiu și/sau wolfram cu adaus de 0,01% la 0,2% sulf, restul fiind fier și impurități accidentale. în timpul procesului de elaborare, topitura metalică se dezoxidează, cu ajutorul unor elemente dezoxidante, se resulfurează, într-o atmosferă controlată, pentru atingerea unui conținut de sulf determinat, apoi oțelul se toarnă pentru a se asigura o solidificare treptată. Cu toate că aceste oțeluri au unele caracteristici macanice îmbunătățite, totuși nu permit o prelucabilitate corespunzătore pentru a avea o largă aplicabilitate practică.

Alte oțeluri cunoscute, brevet RO 86367, sunt oțelurile aliate, la care compoziția chimică este alcătuită, în procente de greutate, din 0,15% la 0,18% azot, din 0,02% la 0,05% aluminiu și sub 0,005% sulf. Prin alierea cu azot și microalierea cu aluminiu, se coboară sensibilitatea la fragilizare. Pentru creșterea gradului de prelucrabilitate la deformarea plastică și pentru stabilizarea compoziției chimice, s-au utilizat elemente de aliere cu rol gamagen, utilizându-se în acest scop manganul și nichelul spre limita lor superioară, iar elemente cu rol alfagen, siliciul, cromul, molibdenul au fost utilizate la limita lor inferioară. De asemenea, au fost reduse conținuturile unor elemente reziduale. Azotul și aluminiul au fost intrioduse cu scopul de a uniformiza structura și a conferi oțelului o prelucrabilitate bună și proprietăți de rezistență mecanice la cald ridicate. în stare finală, după toate operațiile de prelucrare, oțelul a avut compoziția chimică cuprinsă între 0,05% și 0,5% carbon, între 1,80% și 1,95% mangan, între 0,25% și 0,40% siliciu, între 0,015% și 0,0200% fosfor, între 0,003% și 0,005% sulf, între 20,2% și 21,3% crom, între 8% și 8,8% nichel, între 2,1% și 2,3% molibden, între 1,2% și 1,5% cupru, între 0,020% și 0,050% azot, între 0,15% și 0,18% aluminiu, între 0,010% și 0,015% arseniu, între 0,0010% și 0,0015% bor, între 0,0020% și 0,0050% stibiu, între 0,010% și 0,015% staniu, până la 0,070% cobalt, între 2 și 3 ppm hidrogen și între 20 și 30 ppm oxigen.

Cu toate că aceste oțeluri au un grad ridicat de prelucrabilitate la cald precum și alte carcteristici mecanice îmbunătățite, nu permit obținerea unor suprafețe cu o finețe mare de lustruire.

Problema care apare în cazul fabricării sculelor de prelucrare constă într-o prelucabilitate greoaie atât pentru atingerea dimensiunilor finale ale sculelor respective, cât și pentru obținerea unei suprafețe lustruite corespunzător.

Scopul invenției este de a reduce dificultățile cunoscute la prelucrarea oțelurilor martensitice, cu păstrarea simultană a proprietăților lor de deformabilitate sau forRO 115276 Bl jabilitate la cald și la rece, precum și caracteristicile lor mecanice și particularitățile lor la tratamentele termice.

Problema a fost rezolvată cu ajutorul unui oțel a cărui compoziție chimică, în procente de greutate, este alcătuită din mai puțin 1,2% carbon , din mai puțin sau egal cu 2% mangan, mai puțin sau egal cu 2% siliciu, între 10,5% și 19% crom, mai mult 50 de 32.10^-4% calciu , mai mult de 70.10^-4% oxigen, cel mult 6% nichel, cel mult 3% molibden, cel mult 4,5% cobalt, cel mult 4% wolfram. Oțelul respectiv mai cuprinde, tot în procente de greutate, cel mult 0,035% sulf, acesta trebuind să fie mai mare de 0,15% și mai puțin de 0,45% și 1% din fiecare din următoarele elemente: niobiu, titan, tantal, zirconiu, vanadiu. Raportul dintre conținuturile de calciu și de oxigen este cuprins 55 între 0,2 și 0,6. Incluziunile din structura metalică sunt silicoaluminați de calciu de tipul anortit și/sau pseudowollastonit și/sau gehlenit.

Oțelul conform invenției prezintă următoarele avantaje:

-are un preț de cost scăzut;

-are proprietăți corespunzătoare de prelucrare; 6o

-are domenii largi de utilizare.

Invenția va fi prezentată în continuare, în legătură și cu fig. 1 ^ei 2, care reprezintă:

-fig. 1, diagrama ternară SiD₂-Ca0-AI₂0₃;

-fig.2, graficul uzării pentru exemplele testate.

Oțelul conform invenției este un oțel martensitic și are copoziția chimică 65 procentuală formată din mai puțin de 1,2% carbon, mai puțin sau egal cu 2% siliciu, mai puțin sau egal cu 2% mangan, mai mult de 10,5%, dar mai puțin de 19% crom, mai puțin sau egal cu 0,40% sulf, mai mult de 32.10⁴% calciu, mai mult de 70.10^-4% oxigen. Raportul dintre conținutul de calciu și conținutul de oxigen trebuie să fie mai mare de 0,2 și mai mic de 0,6. Oțelul respectiv trebuind să fie supus unui tratament termic 70 de călire coform procedeelor cunoscute.

Prezența oxigenului, calciului și a siliciului face ca, în structura martensitică, obținută după călire, să apară oxizi maleabili, cum ar fi silicoaluminații de calciu de tip anortit și/sau pseudowollastonit și/sau gehlenit, așa cum este prezentat în fig 1. Acești oxizi maleabili conservă proprietățile principale ale oțelului martensitic, după aplicarea 75 tratamentelor termice, pe care oțelul respectiv le suportă, fără degradarea proprietăților mecanice și ameliorează apreciabil proprietățile de prelucrabilitate. Oxizii, sub formă de incluziuni, nu au acțiune favorabilă pentru prelucrabilitate doar pentru că există în matrice. S-a constatat că într-o matrice tot atât de diferită de structura oțelurrilor martensitice, acești oxizi au un efect la fel de benefic asupra prelucrabilității. De 80 asemenea, s-a constatat că tratamentele termice aplicate nu schimbă cu nimic natura incluziunilor. Nu s-au produs, sau cel puțin semnificativ, modificări ale compoziției analitice ale incluziunilor prin difuzie în stare solidă, în timpul tratamentelor termice aplicate oțelurilor martensitice.

S-a dovedit că, în timpul prelucrării acestor oțeluri martensitice, oxizii maleabili, 85 la temperaturile de prelucrare la cald, primesc o temperatură suficient de ridicată, pentru a forma o peliculă lubrifiantă care se regenerează permanent, prin intermediul incluziunilor prezente în metal. Această peliculă lubrufiantă permite diminuarea frecărilor dintre material și scula de prelucrare. Astfel, efectul de sarcină concentrată, datorat durității mari a martensitei este, redus.

RO 115276 Bl în cursul aplicațiilor practice, s-au testat două sorturi de oțeluri martensitice conform invenției. Unul dintre aceste oțeluri a avut în copoziția sa procentuală sulf într-o proporție cuprinsă între 0,15% și 0,45%, celălalt oțel a avut în compoziție sulf într-o proporție mai mică de 0,035%. S-a remarcat că prezența oxizilor maleabil în oțel nu modifică rezistența la coroziune, fie prin injectare, fie prin porozitate, ca și pentru oțelul cu sulf scăzut cu compoziția resulfurată. în general, ceea ce se câștigă în domeniul prelucrabilității nu se face, în nici un caz, în detrimentul caracteristicilor de forjabilitate sau de deformare la cald sau la rece. Oxizii creați voit în compoziția oțelului respectiv își păstrează proprietățile ori care ar fi tratamentul termic aplicat. Introducerea acestor oxizi în copoziția chimică a oțelului se face fără a se ține seama de procentul de carbon, a cărei reducere s-a dovedit că diminuează caracteristicile mecanice.

Oțelurile testate au mai conținut, în copoziția lor chimică, 2% până la 6% nichel, între 1% și 5% cupru și mai puțin de 3% molibden. Nichelul este necesar în oțelurile care conțin mai mult de 16% crom pentru obținerea, după călire, a unei structuri martensitice.

în categoriile de oțeluri care posedă duritate structurală, nichelul, pe lângă efectul precizat anterior, (diminuarea cantității de ferită delta) va forma, împreună cu cuprul, faza Ni₃Cu cu rol durificator al structurii metalului. în acest caz duritatea ridicată a structurii obținute nu se datorează numai conținutului de carbon, care de altfel este redus. Cuprul permite, în combinație cu masa de bază a metalului, obținerea unei rigidități structurale și deci, îmbunătățirea caracteristicilor mecanice.

Molibdenul ameliorează rezistența la coroziune și are un efect benefic asupra durității după tratamentul termic de revenire, ameliorând, în același timp, reziliența. Oțelul martensitic, conform invenției, poate conține, în același timp, elemente stabilizatoare, ca de exemplu wolfram, vanadiu, cobalt, niobiu, titan, tantal, zirconiu. Ponderea fiecărui din aceste elemente este după cum urmează: mai puțin sau egal cu 4% wolfram, mai puțin sau egal cu 4,5% cobalt, mai puțin sau egal cu 1% niobiu, mai puțin sau egal cu 1% titan, mai puțin sau egal cu 1% tantal, mai puțin sau egal cu 1% zirconiu.

Pentru comparație, s-a luat un oțel martenesitc I, conform invenției, a cărei copoziție chimică este prezentată în tabelulu 1 cu alte două oțeluri cunoscute II,III a căror compoziție chimică este prezentată în

Tabelul 1

Oțelul I.

c	Si	Mn	Cr	Mo	S	P	N
0,205	0,426	0, 52	12,34	0,041	0,024	0,022	0,046

în compoziția chimică a acestui oțel , s-au mai introdus 30.10⁴ % calciu și

129.10⁴% oxigen. Raportul dintre conținutul de calciu și conținutul de oxigen a fost de

0,22. în acest exemlpu, oțelul I mai conține, în cantități reziduale, cel puțin 0,5% nichel și cel puțin 0,2% cupru.

RO 115276 Bl

Tabelul 2 135

	c	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	S	P	N
II	0,184	0,359	0,530	0,180	12,63	0,153	0.084	0.022	0,018	0, 056
III	0,194	0,364	0,731	0,313	12,77	0,093	0,088	0,022	0,017	0,049

Cele trei oțeluri, după eleborarea lor după procedeele cunoscute, au fost supuse 140 operației de turnare, utilizând plăci masive de carbură pentru testul denumit Vb 30/0,3, care constă în determinarea vitezei pentru care uzura prin exfoliere este de 0,3 mm după 30 min de prelucrare și la fel, cu plăci de carbură aplicată, test cunoscut sub denumirea Vb 15/0,15, care constă în determinarea vitezei pentru care uzura prin exfoliere este de 0,15 mm după 15 min de prelucrare. 145

Se constată, din tabelul 3, prezentat în continuare, că proprietățile mecanice nu sunt alterate prin introducerea incluziunilor de oxizi maleabili pentru două tratamente termice de dedurizare, adică comportând o călire în ulei de la 950°C, o menținere, timp de 4 h, la 820°C, o răcire lentă până la 650PC, apoi se aplică un alt tratament de călire de la 950°C, o revenire la 640°C și răcirea în aer. 150

Tabelul 3

□țelul	Tratam. Termic	Rm, MPa	Rp 0.2, Mpa	A, %	z, %	Duritate, HRB/HRC
I	dedurizat	535	282	29	82
III	«c	544	296	29, 2	64,1	82,3 HRB
II	c<	544	280	28, 6	60, 6	80,6 HRB
I	tratat	857	737	14	51
III	M	967	837	12	52, 6	29,1 HRC
II		899	754	15, 5	55, 8	27,3 HRC

Testele au demonstrat că oțelurile care au fost“ tratate” se prelucrează mai bine 16O decât oțelurile dedurizate.

într-un alt exemplu de aplicare, s-a luat un oțel martensitic IV, conform invenției, a cărei compoziție chimică este redată în tabelul 4 care urmează.

Tabelul 4

Oțelul IV ies

C	Si	Mn	Cr	Mo	S	P	N	Ca	0	Ca/O
0,196	0,444	0,555	12, 10	0,073	0,0263	0,019	0,053	41.1Q-⁴	99.10⁴	0, 41

în acest exemplu, oțelul conține, în cantități reziduale, mai puțin de 0,5% nichel și mai puțin de 0,2% cupru. Acest oțel a fost comparat cu un oțel V, standard, care nu 17o are în compoziție oxizi maleabili și a cărei copoziție chimică este prezentată în tabelul 5 care urmează.

RO 115276 Bl

Tabelul 5

Oțelul V

c	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	s	P	N	0
0,214	0,344	0,564	0,354	12,32	0,097	0,105	0,261	0,017	0,054	45.10-⁴

Așa cum rezultă din tabelul 6, în care sunt prezentate caracteristicile oțelului IV, conform invenție, în comparație cu oțelul standard V, rezultă că nu sunt diferențe semnificative atât în cazul stării dedurizate, cât ²i în cazul oțelurilor tratate.

Tabelul 6.

Oțeul
V	IV
	Dedurizat	Tratat	Dedurizat	Tratat
Rm, MPa,	559	803	566	787
Rp 0,2, Mpa,	418	636	408	600
A, %	29	18,7	29	19
Z, %	67,5	60,5	67	63

Valorile cracteristicilor mecanice, pentru oțelurile testate, sunt trecute în tabelul 7.

Tabelul 7.

Starea Metalurgică
Tratat	Dedurizat
Test/oț el	Vb 30/0,3 (m/min)	Vb 15/0,15 [m/min]	Vb 30/0,3 [m/min]	vb 15/0,15 (m/min)
oțelul II	195	250	-	-
oțelul III	150	205	-	-
oțelul V	230	250	200	220
oțelul I	250	-	-	-
oțelul IV	250	230	-	-

în alt exemplu de aplicare a invenției, s-au luat două oțeluri martensitice VI șl VII ale căror copoziții chimice sunt trecute în tabelul 8.

RO 115276 Bl

Tabelul 8.

210

Compoz. oțelul/ chimică	Oțelul VI	Oțelul VII
Carbon	□,O18	0,012
Siliciu	0,443	0,448
Mangan	0,825	0,818
Nichel	4,517	3,739
Crom	15,2	15,37
Molibden	0,005	0,005
Cupru	3,189	3,236
Fosfor	0,01	0, 01
Azot	0,018	0,021
Niobiu	0,202	0,192
Sulf. 10⁴	110	233
Calciu. 10^	65	70
Oxigen. 10*⁴	132	157

215

220

Oțelurile VI și VII, conform invenției, au fost comparate cu alte oțeluri standard VIII și IX care nu conțin oxizi maleabili și ale căror compoziții chimice sunt trecute în tabelul 9.

225

Tabelul 9

Compoz.oțelul/ chimică	Oțelul VIII	Oțelul IX
Carbon	0,011	0,0 13
Siliciu	0,45	0,405
Mangan	0,815	0,878
Nichel	4,548	4,509
Crom	15,26	15,26
Molibden	0,006	0,006
Cupru	3,245	3,228
Fosfor	0,011	0,011
Azot	0,017	0,016
Niobiu	0,182	0,202
Sulf. 10^-4	270	110
Calciu. 1 θ'⁴	< 5	< 5
Oxigen. 1CT⁴	138	48

230

235

240

RO 115276 Bl

Aceste oțeluri de referință VI și IX conțin în compoziția lor cupru și nichel și fac parte din categoria de oțeluri cu rigiditate structurală. în practica curentă, sunt utilizate, ca tratamente termice aplicate diferitelor mărci de oțeluri, tratamentul termic de călire care constă în încălzirea pieselor, la o temperatură ridicată, de aproximativ 1O5O°C pentru austenitizarea completă a structurii, încălzire urmată de o răcire, de preferință, în ulei, apoi se aplică o reîncălzire pentru revenirea structuri, la o temperatură de aproximativ 25O°C, tratament în urma căruia se obține o rezistență Rm de aproximativ 1OOO Mpa.

Tratamentul termic de îmbătrânire se aplică atunci când masa de bază are o duritate maximă în urma unei căliri de la 1050°C urmată de revenire la temperatura de 45O°C, tratamet termic în urma căreia se obține o duritate de 1400 Mpa.

Tratamentul termic de dedurizare constă dintr-o călire de la 1O5O°C și o primă revenire la o temperatură de 76O°C, timp de 4 h, după care se aplică o altă revenire la temperatura de 62O°C, când se obține o rezistență Rm de aproximativ 900 Mpa.

Particularitatea oțelurilor, conform invenției, constă în aceea că nu suferă variații dimensionale în timpul tratamentelor aplicate, putând fi prelucrate după tratamentul termic de îmbătrânire.

Oțelul conform invenției, notat cu VII, a fost supus unei căliri de la 1O5O°Cîn ulei. Reise, așa cum rezultă din fig. 2, că prezența oxizilor maleabili mărește prelucrabilitatea, aspect redat de curbele referitoare la uzura sculelor de prelucrare. Această uzură depășește într-adevăr 0,15 mm după 15 min, de prelucrare cu o viteză de 190 m/min, un avans de 0,15 mm/tur., o profunzime pe trecere de 1,5 mm pentru oțelul standard, notat cu VIII, cu o uzură de 0,125 mm pentru oțelul VII, conform invenției.

□țelul VII, conform invenției, a permis obținerea, în stare dedurizată, unei viteze de tăiere de 240 m/min, în timp ce oțelul standard, notat cu IX, a permis o viteză de tăiere de 210 m/min, obținându-se un spor de 20%.

în urma aplicării invenției, se poate pune în evidență, cu ajutorul acestor exemple, faptul că oțelurile martensitice, conform invenției, care conțin în compoziția lor chimică oxizi maleabili, prezintă o prelucrabilitate îmbunătățită, oxizii respectivi nealterând alte caracteristici ale oțelurilor respective.

Claims

Revendicări

1. Oțel inoxidabil martensitic, având mai puțin de 1,2% carbon și mai puțin de 2% mangan, caracterizat prin aceea că acesta mai cuprinde cel mult 2% siliciu, între 10,5% și 19 % crom, cel mult 0,55% sulf, mai mult de 32.10^-4% calciu,mai mult de 70.10⁴% oxigen, cel mult 6% nichel, cel mult 3% molibden și cel mult 4,5% cobalt.
2. Oțel conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că raporturile dintre conținuturile de calciu și conținuturile de oxigen sunt cuprinse între 0,2 și 0,6.
3. Oțel conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, în compoziția oțelului respectiv, conținutul de sulf trebuie să fie mai mare de 0,15% și mai mic de 0,45%.
4. Oțel conform revendicărilor 1...3, caracterizat prin aceea că sulful este conținut într-o proporție inferioară sau cel mult egală cu 0,035%.
5. Oțel conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că mai poate cuprinde cel mult 1% din fiecare din următoarele elemente: niobiu, titan, tantal, zirconiu, vanadiu.

RO 115276 Bl
6. Oțel conform revendicărilor 1...5, caracterziat prin aceea că procentul de nichel este cuprins între 2% și 6%, iar cel de cupru între 1% și 5%.
7. Oțel conform revendicărilor 1...5, caracterizat prin aceea că acesta conține incluziuni de silicoaluminat de calciu, de tip anortit și/sau pseudowollastonit și/sau gehlenit.