SE426177B - Varmarbetsstal - Google Patents

Description

7909935-4 10 15 20 25 30 35 Denna kända legering har emellertid en otillfredsställande anlöpningsbeständighet. De ständigt högre krav som inom frågavarande tekniska område reses på allt bättre hållfast- hetsegenskaper har även lett till att flertal modifikationer eller alternativ till ovanstående legering kommit att utvecklas.

I detta samanhang kan exempelvis hänvisas till de stållege- ringar som redovisas i SE 364 997, SE 364 998 och SE 364 999, vilka förutom järn kännetecknas av följande sammansättnángar (viktprocent): * ss 364 997 ss 364 998 sr 364 999 c I o,30-o,4s 0,3s-o,4s 0,3 -o,4 si 0,2 -1,0 0,2 -0,5 0,2 -0,5 M 0,3 -1,0 o,s -1,5 0,1 -0,5 cr 2,0 -3,5 1,0 -1,8 1,0 -2,06 Mo 1,0 -2,0 2,5 -3,5 1,5 -3,0 w 2,0 -3,0 - - v 1,0 -1,5 1,0 -1,3 0,4 -0,8 Nb 0,1 -0,5 - - B 0,002-0,01 0,003-0,01 0,001-0,1 co 1,5 -3,0 1,5 -2,5 1,5 -2,5 Jämfört med förstnämnda legering uppvisar ovanstående lege- ringar överlag förbättrade hållfasthetsegenskaper, dock utan att presentera en för varmarbetsstål optimal egenskapskombi- nation. Dessutom uppnås - liksom vid stålet enligt SE 199 l67 - egenskaperna till priset av ett jämförelsevis dyrbart lege- ringsinnehåll, där i första hand de höga kobolthalterna har ett dominerande inflytande på de totala legeringskostnaderna.

REDOGÖRELSE Fön UPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är att eliminera ovan nämnda nack- delar och/eller begränsningar hos ovan redovisade varmarbets- stål. Mer bestämt är ett ändamål med uppfinningen att erbjuda ett varmarbetsstål med en för varmarbetsstål optimal egenskaps~ kombination utan att man behöver legera stålet med kobolt eller 10 15 20 25 30 35 7909935-4 andra mycket exklusiva legeringselement. I synnerhet är ett syfte att erbjuda ett varmarbetsstål med mycket hög anlöp- ningsbeständighet, hög varmhållfasthet och god varmduktilitet, egenskaper som anses ha en avgörande inverkan på materialets motståndskraft mot termisk utmattning.

Dessa och andra syften kan uppnås vid ett stål som enligt uppfinningen innehåller följande element uttryckta i vikt-Z: Vidaste Snävare Föredraget område område område C 0,30-0,45 0,35-0,45 0,37~0,43 Si 0,2 -1,0 0,2 -1,0 0,2 ~l,0 Mn 0,3 -2,0 0,3 -1,5 0,3 -1,0 Cr 2,0 -3,5 2,2 -3,0 2,4 -2,8 g + M0 1,5 -2,s 1,7 -2,3 1,8 -2,2 2 0,8 -1,5 1,0 -1,4 1,1 ~1,3 B 0 ~0,01 0 ~0,0l 0 -0,01 Resten utgörs väsentligen endast av järn och föroreningar i normala halter. Med uttrycket "väsentligen endast" avses att stålet förutom de element som angivits i tabellerna även kan innehålla andra element i den mån dessa ej manligt inverkar på de egenskaper som eftersträvas vid uppfinningen. Av såväl praktiska skäl som kostnadsskäl bör man dock vara restriktiv för att icke komplicera legeringshilden. Bl a har alltför komplexa legeringar den nackdelen att de har ett sämre skrot- värde. Av främst kostnadsskäl bör stålet därför normalt inte innehålla kobolt i signifikanta mängder. Vidare är även önsk- värt att stålet inte innehåller andra starka karbidbildare vid sidan av vanadin. Den totala halten av niob, tantal, titan och aluminium bör därför inte överstiga 0,5 Z, företrädesvis inte överstiga 0,2 Z, och lämpligen inte överstiga 0,1 Z. Däremot 7909935-4 10 15 20 25 30 35 kan stålet innehålla bor, och en föredragen utföringsform av stålet kännetecknas av att borhalten uppgår till 0,001 och 0,005 Z.

De goda egenskaper som uppnåtts vid stålet enligt uppfinningen beror på en gynnsam samverkan mellan de olika legeringsele- menten. Främst torde den jämförelsevis höga vanadinhalten, en till vanadinhalten anpassad molybdenhalt, en måttlig kromhalt samt en lämplig kolhalt gynna såväl god anlöpningsbeständighet som hög varmhållfasthet. Med att vanadin- och molybdenhaltenna ärfanpassade till varandra förstås härvid att förhållandet Z V:Z K + Mo bör vara 0,4-0,8, företrädesvis 0,5-0,7. Under dessa åmständigheter erhålls en mycket hög stabilitet hos anlöpningskarbiderna. Samtidigt erhålls bättre möjligheter att få fin austenitkornstorlek vid härdningen genom ökad mängd korntillväxtbromsande partiklar. Detta gynnar i sin tur en _ god varmduktilitet. Genom den uppfinningsenliga anpassningen av legeringselementen komer stålet i härdat och anlöpt till- stånd därför att ha en väsentligen restaustenitfri, finkornig, ribbmartensitisk eller delvis bainitisk, men perlitfri mikro- struktur, uppvisande en mycket findispers intragranulär utskilj- ning av karbider med vanadinkarbider som dominerande karbidfas.

Med "finkornig" förstås härvid att kornstorleken är finare än kornstorlek 7 enligt ASllPskalan. Vanadinkarbiderna i den anlöpta martensiten har en diameter av max 0,1 pm. I mjuk- glödgat tillstånd har stålet en ferritisk struktur innehållande sfäroidiserade vanadinkarbider.

Efter härdning från 1 O50°C/ 1/2 h och släckning i olja följd av dubbelanlöpning (l h + l h) vid 700 resp 750°C erhålls vid stålet enligt uppfinningen rumstemperaturhårdheter av ca 375 resp 300 HV 10. Sträckgränser på ca 275 N/mmz har uppnåtts vid provningstemperaturen 700°C och vid 750°C har uppnåtts sträckgränser av ca 175 N/mmz. 10 15 20 25 30 35 7909935-4 KORT FIGURBE SKRIVNING I den följande redovisningen av utförda försök kommer att hänvisas till bifogade figurer, som i diagramform illustrerar uppnådda resultat.

Fig. 1 utgör ett anlöpningsdiagram (lh + lh) för de undersökta stålen.

Fig. 2 visar kurvor över uppmätta sträckgränser vid olika temperaturer, vid utgångshårdhet 47 HRC.

Fig. 3 illustrerar areakontraktionen för undersökta stål vid olika temperaturer, vid utgångshårdhet 47 HRC.

REDOVISNING Av UTFöRnA FöRsöK Innehållet av legeringselement (vikt-Z) i försöksmaterialen framgår av Tabell l.

Tabell 1 Sammansättning hos försöksmaterialen Stål nr C Si Mn P S Cr Ni Mo V Co B 1 -38 .37 -83 .008 .009 2.8 .OS 2.1 1.19 1.9 .005 2 .39 .35 .37 .O10 .009 4.8 .O5 3.1 .50 3 .39 .33 1.54 .009 .009 2.4 .04 3.1 .S2 .OOS 4 .39 .33 1.56 .008 .008 2.5 .O04 2.1 1.19 .OOS Stålen l, 3 och 4 utgör experimentlegeringar, medan stål nr 2 är ett kommersiellt stål som motsvarar tyskt Werkstoff nr l.2367. Stål nr 4 har en sammansättning enligt uppfinningen, ehuru manganhalten är något högre än det föredragna området.

Av försöksmaterialen smíddes och valsades lßnmztjocka plattstänger.

Stängerna nfiukglödgades därefter vid 860°C/5 h, varefter följde kontrollerad svalning 7°C/h till 600°C och luftkyldes slutligen till rumstemperatur. Strukturen hos de mjukglödgade stålen utgjordes av ren ferrit med varierande halter och typer av karbider. Hos det upp- finningsenlíga stålet nr 4 utgjordes den dominerande karbidfasen av 7909935-4 10 15 20 25 30 35 sfäroidiserade vanadinkarbider.

Från de valsade stängerna uttogs prover som austenitiserades vid l 02000/20 min. Därefter överfördes proverna till ugn med temperaturerna 800, 750, 700, 650 och 600°C. Hålltiderna var 5, 10, 30, 60 och 120 min.

Efter den isoterma behandlingen kyldes proven i olja till rumstemperatur.

Det visade sig att för inget av stålen utom stål nr 2 erhålls någon perlit- bildning vid någon av provningstillfällena. För stål nr 2 erhölls så- lunda begynnande perlitbildning. Det lägsta hastigheten med vilken stålet kan kylas utan att omvandling till perlit äger rum, är ett mått på ståls härdbarhet. Det konstaterades sålunda att härdbarheten för stålen l, 3 och 4 var högre än för stål nr 2. Härdbarheten beror i huvudsak av dess halt av kol och andra legeringsämnen. Austenitkornsstorleken har även betydelse.

Alla de legeringsämnen som användes i provmaterialen fördröjer omvandlingen till perlit med undantag av kobolt. Kornstorleken hos stålen 1, 2 och 4 var ungefär lika. Däremot hade en kraftig kornförstoring skett hos stål nr 3.

'Den.fortsatta undersökningen gick ut på att jämföra materialegenskaper som har avgörande inverkan på bl a motståndskraften mot termisk utmattning.

Följande egenskaper som man med säkerhet vet har inflytande därvidlag, ingår därför i resultatsyntesen nedan: - Anlöpningsbeständighet - Varmsträckgräns - Seghet, varmduktñlitet Anlöpningsbeständighet Rumstemperaturhårdheten efter olika anlöpningar upp till höga tempera- turer är ett bra mått på anlöpningsbeständigheten i jämförande syfte.

Mjukglödgade prover härdades därför från 1 05000/l/2 h, kyldes i olja samt dubbelanlöptes (luh + l h) i temperaturintervallet 550 till 750°C.

Resultaten är i diagramform visade i Fig. l. Av diagrammet framgår att stålet l och 4 har sinsemellan tämligen lika hårdheter efter alla an- lñpningarna 10 15 20 25 30 35 7909935-4 Stål nr 3 har samma eller något lägre hårdheter än stålen 1 och 4 vid anlöpningstemperaturer över 650°C. Vid lägre temperaturer är dock hård- heten högre för stål nr 3. Anlöpningskurvan för stål nr 2 avviker från de övriga stålen på så sätt att hårdheten är högre efter anlöpning vid S50 ~ 600°C för att efter högre temperaturhalägre hårdhetsvärden. Den lägre hårdheten hos stål nr 2 torde delvis bero på den högre kromhalten hos detta stål vilket gynnar utskiljning av kromkarbider före vanadin- karbid vid anlöpningen. I oanlöpt tillstånd har stålen 1 och 4 lägre hårdhet än stål nr 2 och 3. Förklaringen härtill torde vara att karbid- upplösningen vis austenitiseringen hos de senare stålen sker något lättare som en följd av lägre karbidstabilitet. Förutom att denna effekt medför högre hårdhet efter härdning erhålles högre hårdheter vid de lägre anlöpningstemperaturerna 550 och 600°C för dessa stål. Samman- fattningsvis har av de fyra undersökta stålen således stålen nr 1 och 4 bäst anlöpningsbeständighet, vid temperaturer över 600-650°C.

Varmsträckgräns Dragprovning utfördes vid rumstemperatur och vid 500, 600, 650, 700 och 750°C. Provmaterialen var härdade vid l 05000/1/2 h - olja och anlöpta till 47 HRC. Resultatet från dragprovningen redovisas i diagrammet i Fig. 2.

Som framgår av díagramet i Fig. 2 har stålen nr l och 4 i stort sett samma rustemperatur- och varmsträckgränsvärden. Stål nr 3 och i synner- het stål nr 2 har klart lägre värden vid alla provningstillfällena.

Orsaken till den högre varmsträckgränsen hos stålen 1 och 4 kan antas vara att dessa legeringar befrämjar den findispersa utskiljningen av vanadinkarbid vid anlöpning. Detta gynnar såväl god anlöpningsbeständighet som hög varmsträckgräns, tack vare att den findíspersa vanadinkarbiden erbjuder en effektiv temperaturstabíl dispersionshärdning. Slutsatsen blir således att bästa varmhållfastheter uppnås vid stålen nr 1 och 4, varvid såsom anmärkningsvärt kan noteras att lika höga värmsträckgräns- värden har uppnåtts vid det uppfinníngsenliga stålet nr 4 som vid stål nr 1 trots att det senare innehåller en hög halt av det exklusiva legerings- ämnet kobolt.

Seghet - varmduktilitet Brottareakontraktionen vid varmdragprovning brukar anges som ett mått 7909935-4 l0 15 på ett ståls seghet eller varmduktilitet. I Fig. 3 har brottkontraktionen för de fyra stålen vid varmdragprovning angivits i diagramform. Av diagrammet kan man utläsa att kontraktíonen för stål nr 3 markant avviker från övriga stål genom att ha mycket låga värden vid rumstemperatur och vid 500 och 600°C. Vid temperaturer upp till cirka 60000 redovisar det uppfinningsenliga stålet nr 4 de bästa värdena. Vid högre temperaturer konvergerar kurvorna så att endast de marginellt avviker från varandra.

Den sämre varmduktiliteten för stål nr 3 beror troligen huvudsakligen på grövre kornstorlek hos detta stål, vilket i sin tur torde bero på låg krom- halt och vanadinhalt hos stålet, vilket medför att det mesta av karbiderna är upplösta vid austenitiseringen och inga korntillväxtbromsande karbid- partiklar finns kvar. Strukturundersökningar visar att fin austenitkorn- storlek är önskvärd från duktilitetssynpunkt och att vanadinhalten och en till vanadinhalten anpassad molybdenhalt har en viktig effekt på korn- tillväxten.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 7909935-4 PATENTKRAY

1. Varmarbetsstål med mycket hög anlöpningsbeständighet och varmhåll- fasthet, god duktilitet samt jämförelsevis lågt innehåll av dyra legeringselement, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller (Vikt-2): 0,35 - 0,45 Z C, 0,2 - 1,0 Z Si, 0,3 - 1,5 Z Mn, 2,2 - 3,0 Z Cr, 1,7 - 2,3 Z Mo, 1,0 - 1,4 Z V, 0 - 0,01 Z B, rest väsentligen endast järn och föroreningar i normala halter.

2. Stål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 0,37 - 0,43 Z C, 0,2 - 1,0 Z Si, 0,3 - 1,0 Z Mn, 2,4 - 2,8 Z Cr, 1,8 - 2,2 Z Mo, 1,1 - 1,3 Z V, 0 - 0,01 Z B, rest väsentligen endast järn och föroreningar i normala halter.

3. Stål enligt något av kraven 1 - 2, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller max 1,0, företrädesvis max 0,5 och lämpligen 0,3 Z kobolt.

4. Stål enligt något av kraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a t av att den totala halten av niob, tantal, titan och aluminium uppgår till max 0,5 Z, företrädesvis till max 0,2 Z och lämpligen till max 0,1 Z.

5. Stål enligt något av kraven 1 - 4, k ä n n e t e c k n a t av att stålet innehåller 0,001 - 0,005 Z B.

6. Stål enligt något av kraven 1 - 5, k ä n n e t e c k n a t av att förhåuanaet 7% Z ï 4' MO uppgår till mellan 0,4 och 0,8, företrädesvis till mellan 0,5 och 0,7.

7. Stål enligt något av kraven 1 - 6, k ä n n e t e c k n a t av att det i härdat och anlöpt tillstånd har en väsentligen restaustenitfri, finkornig, ribbmartensitisk eller delvis bainitisk, men perlitfri mikrostruktur, uppvisande en mycket findispers intragranulär ut- skiljning av karbider med vanadinkarbider som dominerande karbidfas.