SE452634B - Sett att framstella ett sintrat snabbstal med hog vanadinhalt - Google Patents

Description

452 654 2 M6C-karbidbildare, Cr är en huvudsaklig M23C6-karbidbildare och V är en huvudsaklig MC-karbidbildare (som antages existe- ra såsom VC eller V4C3 i stål), varvid den totala karbid- halten ligger inom intervallet 20 till 30 %.

Resultatlösa försök har gjorts upprepade gånger att öka kar- bidhalten. En ökning av M6C-karbiderna genom att öka W- -ekvivalenten utöver det område som anges i det föregående (och även kol) å ena sidan åtföljes av en hastig försämring av duktiliteten med försämring av mikrostrukturen. En ökning av MC-karbiderna genom ökning av vanadin (och även kol) å andra sidan hindras av svårigheten vid smältning, dvs. åt- följande höjning av smälttemperaturen och utvidgning av fast fas-smältfasomrâdet. Dessutom är ämnen med ökad karbidhalt, i synnerhet med vanadinhalt överstigande 5 %, känsliga för sprickbildning vid varmsmidning för sönderdelning av grova karbidnät, som bildas längs korngränser vid stelnande.

Vid en under senare tid föreslagen och kommersiellt genom- förd atomiseringsmetod kyles en stråle av smält legering, med hastigheter som är tillräckliga för att undertrycka bild- ningen av grova karbider, till droppar, vilka därefter sam- manpressas_i en kapsel antingen genom varmsmidning eller genom isostatisk varmpressning, så att man erhåller solida ämnen. Denna process har den fördelen, att man undviker det ovannämnda smidningssteget, men är fortfarande underkastat begränsningar beroende på atomiseringen av en vanadinrik smälta och plastisk bearbetning av ämnena till små dimen- sioner, varför den tillåtbara vanadinhalten icke överstiger 6,5 %.

Föreliggande uppfinning är baserad på iakttagelsen att, under det att vanadinkarbid sedan denna en gång införlivats i grund- massan, verkar såsom en idealisk hållfasthetshöjande bestånds- del, som påverkas föga av närvaron av andra karbider och grundmassans sammansättning, motverkas införlivandet därav vid konventionella metoder, eftersom alla dessa utgår från en smält legeringssmälta. Ett förfarande som baseras enbart 452 634 3 pà fastfasreaktioner kommer att beskrivas, vilket möjliggör införlivande av så hög vanadinhalt som önskas och sålunda erbjuder ett vanadinrikt snabbstål med ökad hårdhet och minsta möjliga minskning av duktiliteten.

Beskrivning av uppfinningen. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma ett hårt men trots detta duktilt sintrat hög-vanadinlegerat snabbstål med sammansättningen C 1,4-6,2 %, W+2Mo (W~ekvivalenten) 10,0-24,0 %, Cr 3,0-6,0 %, V 8,5-38 %, Co mindre än 17 %, återstoden Fe och oundvikliga föroreningar med en kvalitet mellan kvaliteten hos konventionellt snabbstål och hårdmetall.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett för- farande för framställning av ett sintrat snabbstål med hög vanadinhalt med sammansättningen, i viktprocent, C 1,4-6,2 %, w+zmo 1o,o-24,o æ, cr 3,o-6,o %, v s,s-3s æ, co mindre än 17 %, resten Fe och oundvikliga föroreningar. Förfarandet kännetecknas av att man bereder en pulverblandning bestående av oxiderna av de metaller som ingår i stålet samt kol, varvid mängden av kol utgör i huvudsak summan av den mängd som erfordras för upplösning och karbidbildning samt halva den mängd som erfordras för reduktion av metalloxiderna, pulveri- serar blandningen intimt till en storlek under 10 pm, reduce- rar den pulveríserade blandningen i en ström av väte vid en temperatur mellan 900 och llO0°C, pulveriserar på nytt den reducerade blandningen till en storlek understigande l0 um, med nödvändiga justeringar av kolhalt och/eller sammansätt- ning, framställer en presskropp av det pulveriserade reduce- rade pulvret, underkastar presskroppen fastfassintring i vakuum samt underkastar den sintrade presskroppen värmebehand- ling till bildning av en martensitisk grundmassa.

För reglering av vanadinkarbidkornstorleken i stålet kan vana- dinoxidhalten hållas vid låga nivåer, det reducerade lege- ringspulvret anrikas med vanadinkarbidpulver till önskad halt, följt av pulverisering av den erhållna blandningen med genom- 452 634 4 förande av nödvändiga koljusteringar, pressning av blandningen till en presskropp, sintring av presskroppen i vakuum, even- tuellt behandling av den sintrade presskroppen som erhålles med isostatisk varmpressning samt slutligen omvandling av grundmassan hos den sintrade kroppen till martensit genom värmebehandling.

Det sintrade snabbstålet enligt uppfinningen kännetecknas av extraordinärt stora mängder av fina karbider av MC-typ, som närvarar likformigt i grundmassan, och genom ökad hårdhet och minsta möjliga minskning av duktiliteten.

De tillåtbara områdena för de många legeringsbeståndsdelarna är väl fastställda för konventionella snabbstål. De utnytt- jas enligt föreliggande uppfinning med undantag av att snabb- stålet enligt uppfinningen skiljer sig ifråga om sammansätt- ning från konventionella snabbstål vad beträffar ökad halt av vanadin och därmed förenad kolhalt. ökningen av vanadin- halten påverkar icke de etablerade intervallen för de andra legeringsbeståndsdelarna. Detta beror på att vanadin är den starkaste karbidbildaren i stålet och dess karbid uppträder i grundmassan_som om den vore en oberoende beståndsdel, som påverkas föga av närvaron av andra element. Vanadin kan tillsättas i godtyckliga mängder, men det är önskvärt att halten därav hålles under 38 %. Maskinbearbetning är lätt att genomföra upp till 20 % tillsats och fortfarande möjligt vid 25 % tillsats. Slipning blir svår vid 38 % tillsats och därutöver utvecklas en benägenhet till försprödning och för- lust av duktilitet. Vad beträffar den lägre gränsen börjar de väsentliga fördelarna med tillsats av vanadin att upp- träda när ca 8,5 % därav tillsatts, såsom visas i det föl- jande i exempel 3.

Snabbstålet enligt uppfinningen framställes med en pulver- metallurgisk metod, för vilken framställningen av ett sint- ringsbart legeringspulver är väsentlig. Legeringspulvret framställes genom att man först blandar legeringsbestânds- delarna i form av pulverformiga oxider med kolpulver, där- a4s2 634 7 möjligheten att reglera MC-kornstorleken vad beträffar grund- massans kornstorlek, dvs. fina MC-korn i förhållande till fina grundmassekorn eller relativt grova MC-korn i förhållan- de till fina grundmassekorn, ett särdrag som icke är möjligt med de tidigare beskrivna metoderna. Situationer existerar vid vilka grova karbidkorn föredrages i förhållande till fina karbidkorn och vice versa. Såsom ett exempel uppvisar de förstnämnda större nötningsbeständighet än de sistnämnda vid höga glidhastigheter i torrhet.

Kortfattad förklaring av ritningarna.

Figur l är ett diagram, som visar tvärbrottgränsen, och figur 2 visar hårdheten hos vanadinrika legeringar, i vilka vanadinhalten varierades i bassammansättningen för SKH57 i överensstämmelse med metoden enligt uppfinningen. Figur 3 är ett mikrofotografi av en isostatiskt varmpressad 20 % V-legering i störtkylt tillstånd.

Bästa sätt för genomförande av uppfinningen.

En bättre förståelse av uppfinningen kan erhållas av följande exempel. 4s2 634 Exemgel 1.

Vid framställning av ett legeringspulver med sammansättning likvärdigt med sammansättningen hos JIS SKH 57 (10 % W-3,5 % Mo-4 % Cr-3,5 % V-10 % Co-1,25 % C-resten Fe) men med ökade V- och C-halter (20 resp. 4,88 %) blandades 1,261 kg W03, 0,525 kg MOO3, 0,585 kg Cr203, 2,942 kg V203, 1,271 kg C00 och 6,808 kg Fe203 (detta Fe innehöll 0,4 % Si och lika mycket Mn), samtliga med storlekar av 5 till lL>gnn intimt med 2,428 kg kolsvart, finpulveriserades ned till under 5,um i en kulkvarn, pelletiserades utan bindemedel samt upphetta- des långsamt i en ström av väte till l050°C och hölls vid denna temperatur tre timmar. De valda reduktionsbetingel- serna var: beskickning: 10 kg, ugnens dimensioner (boxtyp): 128 liter, vätetillförsel: 0,23 liter/minut och upphettnings- hastighet: :Pc/minut. Av 2,428 kg tillsatt kol utgjorde 1,94 kg hälften av den teoretiskt erforderliga mängden 3,88 kg för reduktion av metalloxider till C0 och återstoden 0,488 kg för upplösning. Det erhållna legeringspulvret hade en sken- bar täthet av 1,0 g/cm3, med 1,2 % restsyre och 3,80 % upp- löst kol. Det pelletiserade legeringspulvret kunde lätt pulveriseras ned till under de ursprungliga storlekarna, var- vid en kolkorrektion gjordes genom tillsats av 1,08 % kol, av vilket 0,9 % användes för avlägsnande av resterande syre och 1,80 % för ytterligare upplösning.

Provstycken med tjockleken 6 mm, bredden 10 mm och längden 30 mm sammanpressades av det justerade legeringspulvret blan- dat med 4 % paraffin och sintrades under 0,05 Torr. Sint- ring vid ll80°C 90 minuter föregicks av avgasning vid 900 till ll00°C efter avvaxning vid 300°C. En sintrad kropp med tätheten 96 % erhölls, vilken ytterligare underkastades iso- statisk varmpressning med 1000 at i argon 40 minuter vid 115000 till en täthet av 100 %, följt av värmebehandling för austenitisering tre minuter vid 111000, kylning i luft, anlöpning tre gånger två timmar vid 560°C. n.

För att fastställa den grad till vilken de mekaniska egen- 452 634 _9 skaperna påverkades av vanadinhalten och genom användningen av isostatisk varmpressning framställdes provstycken inne- hållande 3 till 40 % vanadin på ett sätt likartat med det som beskrivits ovan och provades för bestämning av tvärbrott- gränsen (figur l) och hârdheten (figur 2). Symbolerna "a" och "a'“ på figur 1 hänför sig till provstycken med respek- tive utan isostatisk varmpressning, varvid denna distinktion icke anges på figur 2. ökning av hårdheten åtföljes av lång- sam sänkning av duktiliteten, men så hög tvärbrottgräns som 210 till 230 kp/mm2 liksom med konventionellt snabbstål bibe- hålles i en 35 % V-legering enligt uppfinningen utan iso- statisk varmpressning. statisk varmpressning på duktiliteten är uppenbar, i synner- Den fördelaktiga effekten av iso- het i låg-vanadinområdet. Tvärbrottgränsen hos provstycken utan isostatisk varmpressning men med höjd sintringstempera- tur faller mellan "a" och "a'" på figur l, vilket indikerar en möjlighet att undvara det isostatiska varmpressningssteget, om hög tvärbrottgräns icke erfordras. Hårdhetsvärden över- stigande hårdheten hos CIS V4 Co-bunden karbid (hårdmetall), som är 66 HRC, uppnås med tillsats av lO % V eller mer.

Legeringar innehållande 10 till 15 % V har visat sig utveckla en benägenhet till sprickning vid varmbamring vid mellan 900 och ll00°C. Sålunda är ytterligare förtätning av dessa hög- legerade material möjlig endast med användning av isostatisk varmpressning. Figur 3 är ett mikrofotografi (förstorings- grad 400) av en isostatiskt varmpressad 20 % V-legering enligt uppfinningen i störtkylt tillstånd och visar en likformig dispersion av fina VC-karbidpartiklar.

Exempel 2.

En annan metod användes för framställning av en 20 % V-lege- ring enligt exempel l. Samma mängder av metalloxider som enligt exempel l, men med uteslutande av V203, blandades intimt med 1,6 kg kolsvart och efter pulverisering till mindre än 5;Lm genomfördes reduktion under samma betingelser som enligt exempel l. Analyser visade en restsyrehalt av 1,1 % och en upplöst kolhalt av 0,2 % i det reducerade pulv- 452 634 10 ret. Pulvret försattes ytterligare med 0,06 kg kol och 2,470 kg vanadinkarbid i pulverform (7;4m) och underkastades ytter- ligare blandning och pulverisering ned till under 5;4m.

Efterföljande behandlingar, såsom sammanpressning, sintring, isostatisk varmpressning och värmebehandling, genomfördes identiskt med det som anges i exempel 1. Inga skillnader ifråga om hårdhet, tvärbrottgräns och mikrostruktur mellan provstycken framställda av pulver enligt exempel 1 och av pulver enligt exempel 2 fastställdes.

När ett reducerat legeringspulver avses att användas vid förfarandet enligt uppfinningen, bör den upplösta kolhalten i detta lämpligen hållas så låg som möjligt, eftersom den totala mängden av detta kol och det kol som härrör från till- satt vanadinkarbid kan överstiga en önskad nivå, beroende på kol- och vanadinhalterna hos adderaren och addenden. Om detta kolöverskott förutses, är det lämpligt att använda en icke-stökiometrisk VC med låg kolhalt eller att låta rest- syret i legeringspulvret förbruka kolöverskottet under efter- följande sintringssteg.

Exempel 3.

Skärkroppar med sektionen 10 mm i kvadrat framställdes av legeringarna innehållande 3,5, 7,5 och 8,5 % V enligt exempel l och jämfördes vid svarvning av en stång med dia- metern 50 mm av SUS 27 med användning av en hastighet av 390 varv/minut, matning av 0,25 mm/varv och skärdjupet 2,5 mm.

En skärvätska användes. Skärkroppens form var sådan att bakspånvinkeln (back rake angle) var 100, sidospånvinkeln (side rake angle) l5°, baksläppvinkeln (back relief angle) 6°, bakeggvinkeln (back cutting edge angle) 50, sidoskärvinkeln (side cutting edge angle) 5° och hörnradien (corner radius) 2 mm. Skärlivslängden jämfördes på basis av den axiella distans som svarvades på basis av släppytförslitningen.

Skärkropparna av 3,5 och 7,5 % V-legering täckte endast 12 mm, under det att skärkroppen av 8,5 % V-legering ännu icke hade nått gränsen för tillåten förslitning vid avbrytande för 452pes4 ll inspektion vid 38 mm. Vid en annan jämförelse av livslängden förändrades bakspånvinkeln (00), sidoskärvinkeln (100) och hörnradien (1 mm). Skärkropparna av 3,5 och 7,5 % V-legering uppvisade fel vid 35 mm vid detta försök, under det att skär- kroppen av 8,5 % V-legering fortfarande vid 75 mm bibehöll förmåga att ge god finish.

Dessa resultat förblev oförändrade oavsett om de provade skärkropparna underkastats isostatisk varmpressning eller ej.

Av det som angivits följer att den önskvärda effekten av vanadinanrikningen ger sig tillkänna vid tillsats av 8 % eller mer.

Under det att ASP 60 TM, ett kommersiellt atomiserat snabb- stål, innehåller endast 6,5 % vanadin, visade det sig över- lägset skärkroppen av 7,5 % och jämförbart med skärkroppen av 8,5 % V-legering enligt uppfinningen, till skillnad mot förväntningen att ju högre vanadinhalten är, desto bättre är De jämförda legeringarna skiljer sig emellertid åt både ifråga om sammansättning och ifråga om Att beständigheten mot nötning ökar med ökande vanadinhalt har bekräftats av ytterligare försök på skärkroppar av 10 och 15 % V-legering med samma grundsamman- skärningsegenskaperna. tillverkningssätt. sättning.

Exempel 4.

Tvåbladiga ändfräsar med diametern 10 mm tillverkades av 3,5 och 15 % V-legering enligt exempel 1 och jämfördes vid sidofräsning av SKD ll verktygsstålblock av HRC 23 vid has- tigheten 580 varv/minut, matningen 51 mm/minut och skärdjupet 9 mm utan skärvätska. Livslängden jämfördes på basis av den frästa distansen tills verktygen uppnådde slâppytförslit- ningen 0,08 mm. Ändfräsen av 3,5 % V-legering uppnådde livs- längden 800 mm, under det att ändfräsen av 15 % V-legering uppvisade endast 0,03 mm släppytförslitning vid 1600 mm och sålunda var överlägsen ändfräsen av 3,5 % V-legering med mer än 500 %. 452 634 12 Industriellbtillämpbarhet.

Såsom angivits i exempel l till 4 kan man ifråga om lege- ringsutformning av snabbstål av dispersionshärdad typ icke diskutera sammansättningen enbart utan att ange halterna och morfologierna för dispersoider (MC-typkarbid enligt uppfin- ningen), dvs. framställningssättet, av vilket egenskaperna och användningsegenskaperna hos en legering påverkas i hög grad. Sålunda är exempelvis legeringen med 3,5 % V enligt exempel 1 likartad ifråga om sammansättning med SKH 57 men har mycket högre tvärbrottgräns än den sistnämnda, som fram- ställts med en smältningsprocess.

Under det att volframkarbidverktyg i stor omfattning och med gott resultat användes för de flesta metallskärande och -formande operationer, är snabbstål vanligen mer lämplig för skärning av gjutjärn, aluminium, titan och legeringar av dessa, i synnerhet vid intermittent skärning. Duktilitets- värden av TRS 210 till 230 kp/mmz eller mer kan vara till- räckliga för skärande ändamål, men användningen av snabbstål har varit begränsad av dess låga hårdhet. Det har varit omöjligt att förbättra hårdheten eller beständigheten mot nötning genom att öka karbidhalten utan att försämra dukti- liteten. Metoder erhålles enligt uppfinningen genom vilka man kan öka vanadinhalten upp till 38 % och sålunda åstad- komma en kombination av hög hårdhet och minsta minskning av duktiliteten hos snabbstål. he pulvermetallurgiska aspekterna på uppfinningen erbjuder även en väsentlig fördel jämfört med konventionellt snabb- stål vid tillverkning av skärande verktyg. Såsom exempel har utbytbara skärstål och liknande tillverkats genom maskin- bearbetning av stångmaterial. ökningen av karbidhalten or- sakar emellertid svårigheter vid tillverkningen och kost- naderna för maskinbearbetning samt arbetskostnader överväger fördelarna med förbättrade verktygsegenskaper. Pulvermetal- lurgiska metoder minskar¿dessa problem vid tillverkningen till problem vid pulverpressningen, som är praktiskt taget fri från begränsningar.

Claims (3)

452 634 ll PATENTKRAV

1. Förfarande för framställning av ett sintrat snabb- stål med hög vanadinhalt med sammansättningen, i viktprocent, C 1,4-6,2 %, W+2Mo l0,0-24,0 %, Cr 3,0-6,0 %, V 8,5-38 %, Co mindre än 17 %, resten Fe och oundvikliga föroreningar, k ä n n e t e c k n a t därav, att man bereder en pulver- blandning bestående av oxiderna av de metaller som ingår i stålet samt kol, varvid mängden av kol utgör i huvudsak summan av den mängd som erfordras för upplösning och karbidbildning samt halva den mängd som erfordras för reduktion av metalloxi- derna, pulveriserar blandningen intimt till en storlek under 10 pm, reducerar den pulveriserade blandningen i en ström av vüto vid en tvmperatur mellan 900 och ll00°C, pulveriserar på nytt den reducerade blandningen till en storlek understigande 10 pm, med nödvändiga justeringar av kolhalt och/eller samman- uürtninq, framställer en prcsskropp av det pulveriserade redu- vorade pulvrol, undcrkastar presskroppen fastfassintring í vakuum samt underkastar den sintrade presskroppen värmebehand- ling till bildning av en martensitisk grundmassa.

2. ' Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den sintrade presskroppen behandlas genom isostatisk varmpressning.

3. Förfarande enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att sammansättningsjusteringarna utgöres av tillsats av vanadinkarbidpulver.