RU2674174C2 - Сталь с высокой износостойкостью, твёрдостью, коррозионной стойкостью и низкой теплопроводностью и применение такой стали - Google Patents

Сталь с высокой износостойкостью, твёрдостью, коррозионной стойкостью и низкой теплопроводностью и применение такой стали Download PDF

Info

Publication number
RU2674174C2
RU2674174C2 RU2017106319A RU2017106319A RU2674174C2 RU 2674174 C2 RU2674174 C2 RU 2674174C2 RU 2017106319 A RU2017106319 A RU 2017106319A RU 2017106319 A RU2017106319 A RU 2017106319A RU 2674174 C2 RU2674174 C2 RU 2674174C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steel
content
hardness
tic
particles
Prior art date
Application number
RU2017106319A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2017106319A (ru
RU2017106319A3 (ru
Inventor
Хорст ХИЛЛЬ
Андре ВАН БЕННЕКОМ
Оливер РИПКЕНС
Original Assignee
Дойче Эдельштальверке Спешелти Стил Гмбх Унд Ко. Кг
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дойче Эдельштальверке Спешелти Стил Гмбх Унд Ко. Кг filed Critical Дойче Эдельштальверке Спешелти Стил Гмбх Унд Ко. Кг
Publication of RU2017106319A publication Critical patent/RU2017106319A/ru
Publication of RU2017106319A3 publication Critical patent/RU2017106319A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2674174C2 publication Critical patent/RU2674174C2/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C33/00Making ferrous alloys
    • C22C33/02Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26Methods of annealing
    • C21D1/32Soft annealing, e.g. spheroidising
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C29/00Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/005Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides comprising a particular metallic binder
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C29/00Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/10Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on titanium carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C33/00Making ferrous alloys
    • C22C33/02Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0278Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
    • C22C33/0285Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with Cr, Co, or Ni having a minimum content higher than 5%
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C33/00Making ferrous alloys
    • C22C33/02Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0278Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
    • C22C33/0292Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with more than 5% preformed carbides, nitrides or borides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/42Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/50Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/52Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with cobalt

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)
  • Heat Treatment Of Sheet Steel (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Abstract

Изобретение относится к порошковой стали, предназначенной для деталей, в частности ножей или фильерных пластин, необходимых при производстве и вторичном использовании пластмасс. Твёрдость стали в закалённом состоянии составляет не менее 56 по шкале С твёрдости по Роквеллу. В структуре стали в сумме присутствует не менее 30 вес.% твёрдых фаз, cодержащих не менее 20 вес.% частиц TiC и 2-4,5 вес.% частиц NbC, при этом твёрдофазные частицы заключены в матрицу, состоящую из, вес.%: 9 -15 хрома, 5 - 9 молибдена, 3 - 7 никеля, 6 - 11 кобальта, 0,3 - 1,5 меди, 0,1 - 2 титана, 0,1 - 2 алюминия, остальное – железо и неизбежные примеси. Сталь обладает высокой износостойкостью, твёрдостью, хорошей коррозионной стойкостью и/или низкой теплопроводностью. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относится к стали для применения, при котором требуются её высокая износостойкость, большая твёрдость, хорошая коррозионная стойкость и/или низкая теплопроводность.
Приводимые ниже содержания компонентов в сплавах на основе железа соотнесены с весом, если отдельно не указано иное.
Стали с приведённым выше профилем свойств пригодны, в частности, для производства режущих инструментов, фильерных пластин, сит, форм и аналогичных элементов машин, требующихся для отрасли промышленности, перерабатывающей пластмассы.
Типичной областью применения выступают здесь машины для нового выпуска или вторичного использования пластмассовых изделий, которые требуется расплавлять для вовлечения в процесс переработки. Для производства гранулята из расплава последний продавливают через фильерную пластину, из которой он выходит в виде множества отдельных жгутов. Эти отдельные жгуты затвердевают и затем предназначенными для этого, расположенными вблизи фильерной пластины ножами измельчаются на отдельные гранулы.
В целях ускорения процесса затвердевания выдавливание расплава пластмассы через фильерную пластину и измельчение могут проводиться под водой. Такой способ известен в промышленности пластмасс как «подводная грануляция».
Как ножи для измельчения пластмасс, так и фильерные пластины для формования измельчаемых ножами жгутов должны обладать вследствие наличия коррозионной среды, в которой они применяются, хорошей коррозионной стойкостью, при этом они подвергаются большому абразивному износу. Именно для применения фильерной пластины теплопроводность стали, из которой эта пластина выполнена, должна быть одновременно низкой с тем, чтобы от контактирующего с фильерной пластиной расплава пластмассы не отводилось слишком большое количество тепла и не происходило преждевременного затвердевания расплава, способного привести к забивке отверстий пластины. Это требование актуально особенно в том случае, когда речь идёт о фильерной пластины, представляющей собой так называемую «микрофильерную пластину» с диметром отверстий менее 1 мм.
Предусмотренная для этих целей сталь известна под номером материала 1.2379 (обозначение: D2 согласно AISI (American Iron and Steel Institute)). В ней содержатся наряду с железом и неизбежными примесями (в вес.%): 1,55% С, 12,00% Cr, 0,80% Mo и 0,90% V.
Другая, также широко применяемая в сфере вторичного использования пластмасс сталь стандартизирована под номером материала 1.3343 (обозначение: М2 согласно AISI). В ней содержится наряду с железом и неизбежными примесями (в вес.%): 0.85 – 0,9% C, 0,25% Mn, 4,1% Cr, 5,0% Mo, 1,9% V и 6,4% W.
Максимальным требованиям в отношении износостойкости должна удовлетворять стандартизированная под номером материал 1.4110 (обозначение: 440А согласно AISI) мартенситная сталь, в которой содержится наряду с железом и неизбежными примесями (в вес.%): 0,6 – 0,75% C, не более 1% Mn, не более 1% Si, не более 0,04% P, не более 0,03% S, 16 – 18% Cr и не более 0,75% Мо. После соответствующей термообработки такая сталь приобретает твёрдость не менее 60 по шкале С твёрдости по Роквеллу.
Известная под торговой маркой «Ferro-Titanit Nikro 128» сталь, специально созданная для производства компонентов, используемых при обработке абразивных видов пластмассы, содержит в себе наряду с железом и неизбежными примесями (в вес.%): 13,5% Cr, 9% Co, 4% Ni и 5% Mo. Доля карбида титана в структуре стали такого состава составляет 30 вес.%, что соответствует объёмной доле TiC , равной около 40 об.%.
Известная, полученная методом порошковой металлургии сталь приобретает после отжига в течение 2 – 4 часов в вакууме при 850°С и последующей закалки в атмосфере азота при давлении 1 – 4,5 бара твёрдость около 53 по таблице твёрдости С по Роквеллу, которая может быть увеличена последующей обработкой на старение, при которой она выдерживается в течение шести – восьми часов при 480°С, до максимальной величины около 62 по шкале С твёрдости по Роквеллу. Обычно из этой стали изготавливаются фильерные пластины, грануляционные ножи, форсунки, а также шнеки, кольца и другие прессовые инструменты для обработки абразивных видов пластмассы, компоненты для наносов, разливочные головки и дисковые ножи, требующиеся для консервно-фасовочных машин (см. таблицу параметров «Ferro-Titanit Nikro 128», приведённую в брошюре «Ferro-Titanit – die Härte aus Krefeld», 06/2001, опубликованной фирмой «Deutsche Edelastahlwerke GmbH»).
В своей диссертации «Новые композитные материалы с металлической матрицей (ММС) для увеличения срока службы подвергнутых износу инструментов в промышленности обработки полимеров», защита диссертации в университете г. Бохум, 2011 г., опубликована собственным издательством кафедры «Техника материалов», Рурский университет, г. Бохум. ISBN 978-3-943063-08-0, Хорст Хилл предложил сталь, содержащую (в вес.%): 13,5% Cr, 1,0% Mo, 9,0% Ni, 5,5% Co, 1,0% Cu, 2,0% Ti и 1,25% Al, остальное – железо и неизбежные примеси. Доля TiC в структуре этой стали также составляет 30 вес.%. Однако дополнительно в структуре присутствует 5 вес.% NbC в качестве твёрдой фазы.
Сталь такого состава, выплавленная в лабораторном масштабе, позволяет надеяться на многообещающий потенциал. Правда её бесперебойное промышленное производство оказалось проблематичным.
На таком фоне задача изобретения заключалась в создании стали, производимой в промышленном масштабе с применением традиционных способов и характеризующейся оптимальным профилем своих свойств. Также следует упомянуть возможность практического применения такой стали.
В отношении стали названная задача решена за счёт того, что эта сталь согласно изобретению обладает приведёнными в пункте 1 формулы изобретения признаками.
Оптимальные варианты выполнения изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения и поясняются ниже отдельно в виде общего замысла изобретения.
Благодаря изобретению получена сталь для применения, требующего от неё высокую износостойкость, большую твёрдость, хорошую коррозионную стойкость и/или низкую теплопроводность.
Сталь согласно изобретению достигает в закалённом состоянии твёрдость не менее 56 по шкале С твёрдости по Роквеллу и в своей структуре содержит в сумме не менее 30 вес.% твёрдых фаз, состоящих помимо частиц TiC также из частиц карбида, оксида и нитрида. При этом в стали согласно изобретению содержание частиц TiC составляет не менее 20 вес.%.
Согласно изобретению твёрдые фазы заключены в матрицу, состоящую из (в вес.%):
9,0 - 15,0% Cr,
5,0 - 9,0% Mo,
3,0 – 7,0% Ni,
6,0 – 11,0% Co,
0,3 – 1,5% Cu,
0,1 – 2,0% Ti,
0,1 – 2,0% Al,
остальное – железо и неизбежные примеси.
Компоненты стали согласно изобретение подобраны таким образом, что она соответствует самым жёстким требованиям, предъявляемым к сталям в промышленности обработки пластмасс. В соответствии с этим сталь согласно изобретению пригодна, в частности, для изготовления компонентов для получаемых вновь или вторично используемых пластмассовых изделий. Например, из стали согласно изобретению могут изготавливаться фильерные пластины для грануляции приготовленных из абразивных видов пластмассы расплавов, в частности, микрофильерные пластины, которые проявляют оптимальные эксплуатационные свойства даже в том случае, когда их отверстия выполнены микромалыми для получения соответственно малых гранул. Также из стали согласно изобретению могут изготавливаться ножи для измельчения пластмассовых частей. Такие ножи, как уже пояснялось выше, требуются для производства гранулята из расплавленных пластмассовых жгутов, получаемых посредством фильерных пластин пояснённого выше типа в грануляторах.
Для обеспечения необходимого при этом профиля свойств сталь согласно изобретению содержит в себе не менее 20 вес.% заключённого в матрицу TiC, способствующего закаливаемости стали в результате образования выделений и выбираемого одновременно таким образом, чтобы достигалась низкая теплопроводность, составляющая менее 35 Вт/мК независимо от состояний после термообработки.
Плотность тока пассивации стали согласно изобретению составляет менее 5 мкА/см2, замеренная в не содержащей кислород 0,5-молярной серной кислоте при скорости изменения потенциала 600 мВ/ч по отношению к электроду сравнения из каломели при 20°С. Поэтому сталь согласно изобретению при высокой твёрдости и оптимальном сопротивлении износу имеет коррозионную стойкость, сопоставимую с коррозионной стойкостью традиционных аустенитных нержавеющих сталей.
Модуль упругости сталей согласно изобретению, замеренный ультразвуком с учётом скорости распространения звука, составляет при температуре 20°С более 270 ГПа, в частности, более 300 ГПа, благодаря чему сталь согласно изобретению или изготовленные из неё компоненты соответствуют также самым высоким требованиям в отношении их прочности.
Замеренный дилатометром коэффициент теплового расширения стали согласно изобретению составляет в температурном диапазоне от 20 до 600°С, значительном для случаев применения сталей согласно изобретению, от 7 х 10-6/К до 12 х 10-6/К.
За счёт присутствия достаточного количества экстремально твёрдых, стабильных в термодинамическом отношении частиц TiC, обладающих малой плотностью при низкой теплопроводности, гарантируется в комбинации с предусмотренной согласно изобретению матрицей стали, также обладающей большой твёрдостью, максимальная износостойкость при одновременно минимальной теплопроводности. Оптимально, чтобы для этого в стали согласно изобретению содержалось не менее 20 вес.%, соответственно около 30 об.%, TiC или не менее 28 вес.% TiC, в частности, не менее 30 вес.% TiC. Однако содержание TiC не должно превышать верхней границы 45 вес.%. Таким образом может быть гарантировано, что сталь согласно изобретению может надёжно изготавливаться и обрабатываться впоследствии. Однако слишком большие содержания твёрдых фаз приводят к повышению твёрдости и износостойкости. Правда коэффициент теплового расширения снижается, что заметно усложняет изготовление композита со стальными подслоями. Кроме того повышенное содержание твёрдых фаз означает, что материал стал более хрупким и более чувствительным к растрескиванию. Одновременно при слишком большом содержании твёрдых фаз существенно снижаются механические возможности обработки. Преимущество стали согласно изобретению состоит в этом случае в том, что и она может обрабатываться обычным способом резания.
Оптимизации твёрдости и износостойкости стали согласно изобретению способствует то, что согласно изобретению дополнительно к частицам TiC в стальной матрице присутствуют дополнительные твёрдые фазы, вследствие чего объёмная доля твёрдых фаз в структуре стали составляет в целом не менее 30 вес.%. Это может достигаться за счёт отдельной добавки частиц карбида, нитрида или оксида при производстве стали. В качестве альтернативы или дополнительно могут также задаваться образующие весовые доли выделений элементы (Ni, Al, Ti) в пределах норм согласно изобретению таким образом, чтобы в ходе проведённых при выплавке стали технологических операций надёжно образовалось достаточное количество повышающих твёрдость выделений в матрице.
По сравнению со сталью, известной из приведённой выше диссертации Х. Хилла, в стали согласно изобретению содержание молибдена и кобальта заметно выше, а содержание никеля и титана заметно ниже. Кроме того варьируются задания по содержанию Cu, Al, TiC и NbC в сплаве согласно изобретению по сравнению с известной сталью. В результате задания содержания легирующих элементов в соответствии с изобретением удалось получить сталь в промышленном масштабе, обладающую большой долей твёрдых фаз, заключённых в стальную матрицу также большой твёрдости. На основе известных концепций стали потребовались для этого затратные исследования и опыты, так как механизм действия и взаимодействие отдельных элементов и фаз в сталях рассматриваемого здесь типа являются очень сложными. Полученная при этом сталь согласно изобретению обладает благодаря своей высокой износостойкости, большой твёрдости, хорошей коррозионной стойкости и низкой теплопроводности оптимальной комбинацией свойств.
Выделения, образующиеся в стальной матрице стали согласно изобретению, представляют собой интерметаллические выделения, в образовании которых участвовали прежде всего элементы Ni, Al и Ti. Эти элементы образуют Ni3Al и Ni3Ti или также смешанные формы. Такие интерметаллические фазы присутствуют в структуре с размером зерна порядка 10 нм и не причисляются к общему содержанию твёрдых фаз. Вследствие своей малой величины они не вносят по сравнению с крупными твёрдофазными частицами, заключёнными согласно изобретению в матрицу стали согласно изобретению, значительного вклада в устойчивость против абразивного износа. Однако интерметаллические выделения способствуют росту твёрдости и прочности металлической матрицы и таким образом содействуют улучшению эксплуатационных свойств.
Хром содержится в стали согласно изобретению в количестве от 9,0 до 15,0 вес.%, что необходимо для обеспечения требуемой коррозионной стойкости. Оптимально, чтобы содержание хрома составляло 12,5 – 14,5 вес.%.
Молибден содержится в стали согласно изобретению в количестве от 5,0 до 9,0 вес.%, что необходимо для обеспечения, с одной стороны, достаточной коррозионной стойкости, в частности, с учётом точечной коррозии и, с другой стороны, для содействия образованию интерметаллических фаз, за счёт которых происходит повышение твёрдости стальной матрицы с заключёнными в ней твёрдыми фазами. Оптимально, чтобы содержание молибдена в стали согласно изобретению составляло от 6,5 до 7,5 вес.%.
Кобальт содержится в стали согласно изобретению в количестве от 6,0 до 11,0 вес.%, что необходимо, во-первых, для повышения температуры мартенситного превращения и, во-вторых, для снижения растворимости молибдена в матрице металла. В результате этого содержащийся в стальной матрице согласно изобретению молибден активнее участвует в образовании интерметаллических фаз. Оптимально, чтобы содержание кобальта в стали согласно изобретению составляло от 8,0 до 10,0 вес.%.
Медь содержится в стали согласно изобретению в количестве от 0,3 до 1,5 вес.%, что необходимо для ускорения дисперсионного твердения. Оптимально, чтобы содержание меди в стали согласно изобретению составляло от 0,5 до 1,0 вес.%.
Никель содержится в стали согласно изобретению в количестве от 3,0 до 7,0 вес.%. Для стальной матрицы никель требуется в достаточном количестве для стабилизации аустенитных фаз при диффузионном отжиге, проводимом, как правило, при около 850°С. Это важно прежде всего в том случае, когда материал согласно изобретению закаливают от температуры диффузионного отжига. Вследствие присутствия никеля аустенит в данном случае стабилизируется настолько, что при закалке обязательно образуется мартенсит. Если содержится слишком мало никеля в предусмотренной изобретением стальной матрице, то такой эффект с необходимой уверенностью не достигается. Если же слишком много никеля в стальной матрице, то мартенсит не образуется, поскольку аустенитная фаза тогда остаётся стабильной и при комнатной температуре. Другое назначение никеля в стали согласно изобретению состоит в обеспечении дисперсионного твердения в результате образования интерметаллических фаз с элементами Al и Ti. Поэтому в стальной матрице стали согласно изобретению содержания Ni, Al и Ti так согласуются между собой, чтобы, во-первых, происходило образование мартенсита и, во-вторых, обеспечивалось дисперсионное твердение. Оптимально, чтобы для этого содержание никеля в стали согласно изобретению составляло от 4,5 до 5,5 вес.%.
Титан содержится в стали согласно изобретению в количестве от 0,1 до 2,0 вес.%, что необходимо для обеспечения, как пояснялось выше, в комбинации с никелем дисперсионного твердения. Оптимально, чтобы содержание титана в стали согласно изобретению составляло при этом от 0,8 до 1,2 вес.%.
В стали согласно изобретению содержится также алюминий в количестве от 0,1 до 2,0 вес.% для обеспечения в комбинации с никелем дисперсионного твердения. Оптимально, чтобы при этом содержание алюминия в стали согласно изобретению составляло от 1,0 до 1,4 вес.%.
Сталь согласно изобретению закаляется при чрезвычайно малой деформации, так как карбид титана обладает низким тепловым расширением и не подвержен превращению.
В результате добавки частиц NbC в количестве до 4,5 вес.% сопротивление к износу стали согласно изобретению возрастает. Одновременно с этим частицы NbC имеют меньшую теплопроводность, чем TiC, что положительно сказывается на эксплуатационные свойства стали согласно изобретению. Кроме того TiC и NbC представляют собой изоморфные карбиды и поэтому могут смешиваться между собой. Во время диффузионных реакций это приводит к образованию смешанных карбидов. Вследствие этого, по сравнению с применением только одного TiC, происходит изменение концентрации валентных электронов и, следовательно, образование дырок в промежуточной решётке атома углерода. Также таким путём снижается теплопроводность стали согласно изобретению и улучшается эксплуатационное свойство. Такой эффект может достигаться, в частности, в том случае, когда в стали согласно изобретению NbC содержится в количестве не менее 2,0 вес.%. Оптимальное влияние может быть оказано тогда, когда содержание NbC составляет от 2,0 до 3,0 вес.%.
При производстве стали согласно изобретению традиционным методом порошковой металлургии можно обеспечить положение, при котором в структуре стали будут отсутствовать ликвации и волокна. Применяемые согласно изобретению в качестве твёрдых фаз частицы карбида, нитрида и оксида могут добавляться в качестве «готовых» частиц при изготовлении методом порошковой металлургии.
При изготовлении методом порошковой металлургии могут применяться линии как для спекания, так и для горячего изостатического прессования (HIP). Например, для производства сталей согласно изобретению может применяться также суперсолидус жидкофазного спекания на основе распылённого газом стального порошка.
Описание рабочих операций, применяемых обычно при производстве сталей рассматриваемого здесь типа методом порошковой металлургии, содержится, например, в Foller, M.; Meyer, H.; Lammer, A.: Wear and Corrosion of Ferro-Titanit and Competing Materials. In: Tool steels in the next century: Proceedings of the 5th International Conference on Tooling, September 29th – October 1st, University of Leoben, Austria, 1999, стр. 1 – 12, in H. Hill, S. Weber, W. Theisen, A. van Bennekom, Оптимизация коррозионностойких сталей ММС с большим сопротивлением коррозии, 30-й симпозиум в Хагене, 24. – 25.11.2011 или в упомянутой выше диссертации Хорста Хилла.
Для задания своих механических свойств сталь согласно изобретению может быть подвергнута обычной термообработке, при которой она нагревается в течение 2 - 4 часов, затем в атмосфере азота под давлением от 1 до 4,5 бара закаляется и после этого выдерживается при 480°С в течение 6 – 8 часов. После такой термообработки сталь согласно изобретению обычно характеризуется твёрдостью свыше 62 по шкале С твёрдости по Роквеллу. В результате нагрева в вакууме и закалки в атмосфере инертного газа устраняются зоны негативного влияния на краевом участке полуфабриката, изготовленного из стали и предназначенного для термообработки.
Если термообработка ограничивается смягчающим отжигом при 850°С в течение 2 – 4 часов, то сталь согласно изобретению приобретает твёрдость, превышающую 50 по шкале С твёрдости по Роквеллу.
Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью примеров своего выполнения. При этом на фигурах изображено:
фиг. 1 – фрагмент выполненной под растровым электронным микроскопом фотографии сечения образца согласно изобретению;
фиг. 2 – диаграмма с результатами измерения теплопроводности образцов из стали согласно изобретению и контрольной стали;
фиг. 3 – диаграмма с результатом измерения потенциала плотности тока, проведённого на образцах из стали согласно изобретению и контрольной стали;
фиг. 4 – диаграмма с результатами измерения дилатометром образца из стали согласно изобретению.
Для сравнения свойств стали согласно изобретению, предназначенной для изготовления фильерной пластины или ножей для машины подводного гранулирования, со свойствами известной стали того же назначения были выплавлены сталь Е согласно изобретению и известная сталь V. Состав обоих сталей приведён в таблице 1.
При этом состав стали V соответствует составу стали, известной под наименованием «Ferro-Titanit Nikro 128», например, описанной в упомянутой выше публикации. Рабочие операции, проведённые при изготовлении обоих сталей E, V методом порошковой металлургии, соответствуют рабочим операциям, которые обычно выполняются при изготовлении стали «Ferro-Titanit 128». Они описаны в упомянутой выше специальной литературе.
После изготовления методом порошковой металлургии образцы PE1, PV1 сталей Е и V были подвергнуты термообработке, которая также соответствует стандартно производимой для стали «Ferro-Titanit 128» термообработке. Для этого образцы РЕ1 и PV1 прежде всего выдерживались в течение 2 – 4 часов в вакууме при температуре 850°С и затем закалялись в атмосфере азота при давлении 1 – 4,5 бара. После этого следовала обработка старением, в ходе которой образцы РЕ1 и PV1 выдерживали при температуре 480°С в течение 6 – 8 часов.
На фиг. 1 показан фрагмент выполненной под растровым электронным микроскопом фотографии сечения по образцу РЕ1 из стали Е согласно изобретению, прошедшей стандартную термообработку. Матрица металла заметна по светлым участкам, в то время как окружающие матрицу включения из TiC являются тёмными.
Другие образцы РЕ2 и PV2, изготовленные из сталей Е и V, были подвергнуты смягчающему отжигу в течение 2 – 4 часов.
На образцах РЕ1, PV1, РЕ2 и PV2 определяли содержание твёрдых фаз. У приготовленных из сталей РЕ1 и PЕ2 согласно изобретению образцов оно составило в среднем более 30 вес.%, а у образцов PV1 и PV2 из контрольной стали содержание твёрдых фаз составило в среднем только 30 вес.%.
Для определения твёрдости разных образцов РЕ1, PV1, РЕ2 и PV2 провели пять измерений твёрдости согласно стандарту DIN ISO 6508-1. Усреднённые данные по замерам образцов РЕ1, PV1, РЕ2 и PV2 приведены в таблице 2. Оказалось, что твёрдость образцов РЕ1, РЕ2 соответственно превышает твёрдость контрольных образцов.
Кроме того определяли зависящую от температуры теплопроводность λ (Т) посредством косвенного метода при комнатной температуре, 100°С, 200°С и 300°С:
λ (Т) = а (Т) х ρ (Т) х сρ (Т),
где:
а (Т) – теплопроводность, замеренная посредством лазерного импульса, как это пояснено в Linseis Messgeräte GmbH: Instruction Manual LFA 1250/1600 – Laser Flash: Thermal constant analyser, 2010, или ASTM International E 1461-01: Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method, 2001;
ρ (Т) – плотность соответствующего образца, замеренная дилатометром;
сρ (Т) – удельная изобарическая теплоёмкость образца, полученная методом динамической дифференциальной калориметрии (DSC).
Результаты этого исследования представлены для образцов PE1 и PV1 на фиг. 2. Оказалось, что теплопроводность образца РЕ1, изготовленного из стали Е согласно изобретению, была ниже теплопроводности образца PV1, изготовленного из контрольной стали V. Низкая теплопроводность образца РЕ1 согласно изобретению является оптимальной с учётом предусмотренного назначения сталей Е и V.
Содержание TiC в образцах РЕ1 и РЕ2 согласно изобретению составило, как указано в таблице 1, соответственно более 30 вес.%.
Плотность изготовленных из стали Е согласно изобретению образцов РЕ1 и РЕ2 составила 6,55 г/см3, чем была достигнута теоретическая плотность. Как следует из фиг. 1, структура не содержала остаточной пористости.
Результаты измерения потенциала токовой плотности, проведённого на образцах из стали Е согласно изобретению и из контрольной стали V, представлены на фиг. 3. На ней показана кривая потенциала токовой плотности для образцов РЕ1 сплошной линией, а кривая потенциала токовой плотности для образцов PV1 – пунктирной линией. Кривые потенциала токовой плотности были получены замером в свободной от кислорода, 0,5-молярной серной кислоте при скорости изменения потенциала 600 мВ/ч по отношению к электроду сравнения из каломели при 20°С. Показатели плотности тока пассивации, полученные для образцов РЕ1 согласно изобретению, составили соответственно менее 5 мкА/см2.
Для образцов РЕ1 из стали Е согласно изобретению модуль упругости определяли с помощью ультразвука с учётом скорости распространения звука, который составил 318 ГПа. Напротив, модуль упругости традиционных образцов PV1 составил 294 ГПа.
В таблице 3 приведён обзор о тепловом расширении стали Е, которая была замерена дилатометром Bähr при температурном шаге 100°С до максимальной температуры 600°С. Здесь можно видеть, что коэффициент теплового расширения αth в этом температурном диапазоне составляет от 7 до 12 10-6/К. В дополнение к этому на фиг. 4 приведён в качестве примера результат измерения дилатометром образца РЕ1 из стали согласно изобретению, которым этот результат подтверждается.
Таблица 1
Сталь Cr Mo Ni Co Cu Ti Al TiC NbC
E 13,5 7,0 5,0 9,0 0,8 1,0 1,2 33 2,5
V 13,5 5,0 4,0 9,0 0,8 1,0 1,0 30 -
Данные приведены в вес.%, остальное – железо о неизбежные примеси.
Таблица 2
Образец Средняя твёрдость по шкале С твёрдости по Роквеллу
РЕ1 65
PV1 62
PE2 54
PV2 53
Таблица 3
Температура, °С αth
100 8,4
200 8,7
300 9,0
400 9,2
500 9,4
600 9,7

Claims (12)

1. Сталь, полученная методом порошковой металлургии, имеющая в закаленном состоянии твердость по меньшей мере 56 HRC, микроструктуру с содержанием по меньшей мере 30 вес.% твердых фаз, содержащих не менее 20 вес.% частиц TiC и 2-4,5 вес.% частиц NbC, при этом твердые фазы заключены в матрицу, содержащую, вес. %:
хром 9-15 молибден 5-9 никель 3-7 кобальт 6-11 медь 0,3-1,5 титан 0,1-2,0 алюминий 0,1-2,0 железо и неизбежные примеси остальное.
2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что содержание хрома в ней составляет 12,5-14,5 вес.%.
3. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что содержание молибдена в ней составляет 6,5-7,5 вес.%.
4. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что содержание никеля в ней составляет 4,5-5,5 вес.%.
5. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что содержание кобальта в ней составляет 8-10 вес.%.
6. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что содержание меди в ней составляет 0,5-1,0 вес.%.
7. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что содержание титана в ней составляет 0,8-1,2 вес.%.
8. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что содержание алюминия в ней составляет 1,0-1,4 вес.%.
9. Сталь по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что содержание TiC в ней составляет не более 45 вес.%.
10. Применение стали по любому из пп. 1-9 для изготовления деталей машин для вторичной переработки или воспроизводства пластиковых изделий.
11. Применение по п. 10, отличающееся тем, что деталями машин являются фильерная пластина или нож для измельчения пластмассовых частей.
RU2017106319A 2014-08-28 2015-08-26 Сталь с высокой износостойкостью, твёрдостью, коррозионной стойкостью и низкой теплопроводностью и применение такой стали RU2674174C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014112374.3A DE102014112374A1 (de) 2014-08-28 2014-08-28 Stahl mit hoher Verschleißbeständigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit sowie niedriger Wärmeleitfähigkeit und Verwendung eines solchen Stahls
DE102014112374.3 2014-08-28
PCT/EP2015/069477 WO2016030396A1 (de) 2014-08-28 2015-08-26 STAHL MIT HOHER VERSCHLEIßBESTÄNDIGKEIT, HÄRTE UND KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT SOWIE NIEDRIGER WÄRMELEITFÄHIGKEIT UND VERWENDUNG EINES SOLCHEN STAHLS

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2017106319A RU2017106319A (ru) 2018-08-28
RU2017106319A3 RU2017106319A3 (ru) 2018-08-28
RU2674174C2 true RU2674174C2 (ru) 2018-12-05

Family

ID=54014808

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017106319A RU2674174C2 (ru) 2014-08-28 2015-08-26 Сталь с высокой износостойкостью, твёрдостью, коррозионной стойкостью и низкой теплопроводностью и применение такой стали

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20180119257A1 (ru)
EP (1) EP3186405B1 (ru)
JP (1) JP6210502B1 (ru)
KR (1) KR20170041276A (ru)
CN (1) CN107075624A (ru)
BR (1) BR112017002127A2 (ru)
DE (1) DE102014112374A1 (ru)
RU (1) RU2674174C2 (ru)
WO (1) WO2016030396A1 (ru)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3263726A1 (de) * 2016-06-29 2018-01-03 Deutsche Edelstahlwerke GmbH Fe-basiswerkstoff und verfahren zu seiner herstellung
NL1043487B1 (en) * 2019-11-28 2021-08-31 Bosch Gmbh Robert Ring component of a drive belt for a continuously variable transmission
JP7287916B2 (ja) * 2020-03-12 2023-06-06 株式会社神戸製鋼所 積層造形物の製造方法、及び積層造形物
CN111455274A (zh) * 2020-04-08 2020-07-28 鞍钢股份有限公司 一种80Ksi级别9Cr火驱热采油井管及其制造方法
CN112251749B (zh) * 2020-10-23 2023-04-07 黑龙江科技大学 一种利用等离子熔覆制备定向阵列的陶瓷相增强高熵合金耐磨涂层的方法
WO2022102805A1 (ko) * 2020-11-10 2022-05-19 한국재료연구원 Tic 입자 강화 fe계 복합재료 및 그 제조방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000273503A (ja) * 1999-03-25 2000-10-03 Kobe Steel Ltd 硬質粒分散焼結鋼及びその製造方法
WO2001014608A1 (en) * 1999-08-23 2001-03-01 Kennametal Inc. Low thermal conductivity hard metal
RU2415961C2 (ru) * 2005-08-18 2011-04-10 Эрастеел Клостер Актиеболаг Сталь, изготовленная методом порошковой металлургии, инструмент, включающий сталь, и способ изготовления инструмента
RU2420602C2 (ru) * 2005-08-24 2011-06-10 Уддехольмс АБ Легированные стали и инструменты или детали, изготовленные из легированной стали
RU2443795C2 (ru) * 2010-04-16 2012-02-27 Тамара Федоровна Волынова МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ИЗНОСОСТОЙКИЕ ДЕМПФИРУЮЩИЕ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ СПЛАВЫ НА МЕТАСТАБИЛЬНОЙ ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА СО СТРУКТУРОЙ ГЕКСАГОНАЛЬНОГО ε-МАРТЕНСИТА И ИЗДЕЛИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТИХ СПЛАВОВ С ЭФФЕКТОМ САМООРГАНИЗАЦИИ НАНОСТРУКТУРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, САМОУПРОЧНЕНИЯ И САМОСМАЗЫВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ, С ЭФФЕКТОМ САМОГАШЕНИЯ ВИБРАЦИЙ И ШУМОВ
EP2662460A1 (en) * 2012-05-07 2013-11-13 Valls Besitz GmbH Tough bainitic heat treatments on steels for tooling

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3966423A (en) * 1973-11-06 1976-06-29 Mal M Kumar Grain refinement of titanium carbide tool steel
DE3015709A1 (de) * 1980-04-24 1981-10-29 Thyssen Edelstahlwerke AG, 4000 Düsseldorf Hartstofflegierung
JPH0229736B2 (ja) * 1984-09-14 1990-07-02 Mitsubishi Metal Corp Bunsankyokagatashoketsugokinkoseinetsukantaimamobuzai
JPH0586435A (ja) * 1991-09-27 1993-04-06 Hitachi Metals Ltd 高耐食高耐摩耗性工具部品材料
SE9604538D0 (sv) * 1996-12-10 1996-12-10 Hoeganaes Ab Agglomerated iron-based powders
GB2440737A (en) * 2006-08-11 2008-02-13 Federal Mogul Sintered Prod Sintered material comprising iron-based matrix and hard particles
SE533988C2 (sv) * 2008-10-16 2011-03-22 Uddeholms Ab Stålmaterial och förfarande för framställning därav
EA033535B1 (ru) * 2010-02-05 2019-10-31 Weir Minerals Australia Ltd Твердосплавные материалы

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000273503A (ja) * 1999-03-25 2000-10-03 Kobe Steel Ltd 硬質粒分散焼結鋼及びその製造方法
WO2001014608A1 (en) * 1999-08-23 2001-03-01 Kennametal Inc. Low thermal conductivity hard metal
RU2415961C2 (ru) * 2005-08-18 2011-04-10 Эрастеел Клостер Актиеболаг Сталь, изготовленная методом порошковой металлургии, инструмент, включающий сталь, и способ изготовления инструмента
RU2420602C2 (ru) * 2005-08-24 2011-06-10 Уддехольмс АБ Легированные стали и инструменты или детали, изготовленные из легированной стали
RU2443795C2 (ru) * 2010-04-16 2012-02-27 Тамара Федоровна Волынова МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ИЗНОСОСТОЙКИЕ ДЕМПФИРУЮЩИЕ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ СПЛАВЫ НА МЕТАСТАБИЛЬНОЙ ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА СО СТРУКТУРОЙ ГЕКСАГОНАЛЬНОГО ε-МАРТЕНСИТА И ИЗДЕЛИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТИХ СПЛАВОВ С ЭФФЕКТОМ САМООРГАНИЗАЦИИ НАНОСТРУКТУРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, САМОУПРОЧНЕНИЯ И САМОСМАЗЫВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ, С ЭФФЕКТОМ САМОГАШЕНИЯ ВИБРАЦИЙ И ШУМОВ
EP2662460A1 (en) * 2012-05-07 2013-11-13 Valls Besitz GmbH Tough bainitic heat treatments on steels for tooling

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170041276A (ko) 2017-04-14
JP6210502B1 (ja) 2017-10-11
BR112017002127A2 (pt) 2017-11-21
CN107075624A (zh) 2017-08-18
RU2017106319A (ru) 2018-08-28
EP3186405B1 (de) 2018-10-03
WO2016030396A1 (de) 2016-03-03
RU2017106319A3 (ru) 2018-08-28
US20180119257A1 (en) 2018-05-03
JP2017532434A (ja) 2017-11-02
DE102014112374A1 (de) 2016-03-03
EP3186405A1 (de) 2017-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2674174C2 (ru) Сталь с высокой износостойкостью, твёрдостью, коррозионной стойкостью и низкой теплопроводностью и применение такой стали
EP3472365B1 (en) Steel suitable for plastic moulding tools
RU2322531C2 (ru) Сталь для холодной обработки и инструмент для холодной обработки
HUE025779T2 (en) Steel, a method for producing steel blank and a method for producing steel component
CN104264078A (zh) 具有出色的韧性和热导率的热加工工具钢
KR20140004718A (ko) 열 확산도와 내마모성이 높은 공구강
EP3467128A1 (en) Extrusion die made of hot working steel
KR20140110720A (ko) 열전도도가 향상된 다이케스팅 및 핫스템핑용 자동차용 금형강 및 그 제조방법
AU2009238307B2 (en) Hot-forming steel alloy
CN103703150B (zh) 热加工工具钢以及制造热加工工具钢的方法
US20200332403A1 (en) Iron-based sintered alloy and method for producing the same
TWI612155B (zh) 冷加工工具材料及冷加工工具的製造方法
JP6710484B2 (ja) 粉末高速度工具鋼
JP2004219323A (ja) 鉄基材料の評価方法
RU2270879C2 (ru) Изделие из инструментальной стали для холодных работ
KR102356521B1 (ko) 균일한 강 합금 및 공구
KR102311270B1 (ko) 냉간 가공 도구용 강철
JP2764659B2 (ja) 均一組織のステンレス刃物鋼
JP2021147638A (ja) 粉末高速度鋼

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190827