SE456650B

SE456650B - Pulvermetallurgiskt framstaellt kallarbetsstaal och saett att framstaella detta

Info

Publication number: SE456650B
Application number: SE8701127A
Authority: SE
Inventors: W Roberts; B Johansson
Original assignee: Uddeholm Tooling Ab
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1987-03-19
Publication date: 1988-10-24
Also published as: DE3889127D1; SE8701127L; SE8701127D0; JPH02502736A; US4936911A; DE3889127T2; CA1339767C; EP0417082B1; EP0417082A1; SE456650C; WO1988007093A1; AU1493988A

Description

.ß 456 650 10 15 20 25 30 35 REnoGöRELsE Fön UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att mot ovanstående bakgrund erbjuda ett nytt, pulvermetallurgiskt framställt kallarbetsstål med slitstyrka och seghet som är bättre än eller jämförbar med den hos pulvermetallur- giskt framställda snabbstål och som uppvisar en kombination av seghet och slitstyrka som är bättre än konventionella höglegerade kallarbets- stål. Enligt uppfinningen skall stålet för att tillfredsställa denna kravspecifikation innehålla 0.5-2.5 % C, 0.1-2 % Si, 0.1-2 % Mn, 0.5-1.5 % N, 6.5-ll % Cr, max 4 % Mo, max 1 % W, 3-15 % V, varvid högst halva vanadinmängden kan ersättas av 1.5 gånger så mycket niob, och varvid förhållandet V/(C + N) skall vara lägst 2.5 och högst 3.8, rest väsentligen endast järn samt föroreningar och accessoriska element i normala halter. Den totala mängden av karbider och nitrider samt karbonitrider uppgår till mellan 5 och 20 volym-%, företrädesvis till mellan 5 och 12 volym-%. Kol som inte är bundet i form av karbider eller andra hårdämnen, ca 0.5-1 % C, finns löst i stålets matrix.

Stålet kan enligt uppfinningen tillverkas på följande sätt. Man bereder en metallsmälta, som innehåller max 0.5 N, men som i övrigt har den sammansättning som anges ovan. Av denna smälta framställs ett metallpulver, lämpligen genom konventionell gasatomisering med hjälp av kvävgas som atomiseringsgas. Detta pulver värms till en temperatur mellan 650° och 850°C, dock inte över stålets AC1-temperatur och nítreras med hjälp av kvävgas i stålets ferritiska tillstånd vid nämnda temperatur under så lång tid att kvävehalten i stålet genom indiffusion av kväve höjts till en halt mellan 0.5 och 1.5 %, och så att förhållandet V/(C + N) blir lägst 2.5 och högst 3.8. Därefter konsolideras det nitrerade pulvret till en homogen kropp med full- ständig täthet.

Ytterligare kännetecken och aspekter på stålet och dess framställning enligt uppfinningen kommer att framgå av följande beskrivning av utförda försök samt av de efterföljande patentkraven. 10 15 20 25 30 35 ' 456 650 KORT FIGURBESKRIVNING I den följande beskrivningen kommer att hänvisas till bifogade ritningsfigurer, av vilka Fig. 1 i form av diagram visar förslitningen av stansar tillverkade av testade material som funktion av antal klipp vid stansning i rostfritt stål (adhesiva nötningsbetingelser), och Fig. 2 illustrerar på motsvarande sätt stansförslitningen vid stansning i höghâllfasta stålband (abrasiva nötnings- betingelser).

BESKRIVNING Av uTFöRDA Föasöx De studerade stålens kemiska sammansättningar framgår av Tabell 1.

Samtliga angivna halter avser vikts-%. Förutom de i tabellen angivna elementen innehöll stålen föroreningar och acoessoriska element í normala halter, medan resten utgjordes av järn.

Tabeii 1 stål nr c si nn cr no v w co N v/c 1 1.24 1.00 0.42 7.90 1.54 4.07 _ _ _ 3.3 2 1.93 0.34 0.44 3.30 1.50 3.20 _ _ _ 3.2 3 2.93 0.95 0.43 3.40 1.50 10.3 _ _ _ 3.5 4 1.23 0.3 0.3 ' 4.2 5.0 3.1 3.4 _ _ 2.3 5 2.3 0.4 0.3 4.2 7.0 3.5 3.5 10.5 _ 2.3 3 1.55 0.3 0.3 12.0 0.3 0.3 _ _ _ 0.7 V/(C+N) 7 1.39 0.37 0.40 3.50 1.33 10.3 _ _ 1.0 3.7 Stål nr 1, 2, 3 och det uppfinningsenliga stålet nr 7 tillverkades av gasatomiserat stålpulver, som konsoliderades på i och för sig känt sätt genom hetisostatisk pressning till full täthet. Stål nr 4, 5 och 6 utgjordes av kommersiellt tillgängliga jämförelsematerial. Stål nr 4 och 5 bestod av pulvermetallurgiskt framställda snabbstål, medan stål nr 6 var ett konventionellt tillverkat kallarbetsstål. Sammansättning- 456 10 15 20 25 30 35 650 arna för stålen nr 1, 2, 3 och 7 utgjordes av analyserade sammansätt- ningar, medan sammansättningarna för referensmaterialen nr 4, 5 och 6 är nominella sammansättningar.

Före konsolidering nitrerades stål nr 7, så att det fick den kvävehalt som anges i Tabell l. Som utgångsmaterial användes pulver som innehöll kväve i normal halt, dvs ca 0.1 % men som med avseende på övriga legeringsämnen hade den sammansättning som anges i tabellen. Nitre- ringen utfördes i stålets ferritiska tillstånd vid en temperatur av 800°C under en tid av l h med hjälp av kvävgas i en behållare under ett inre övertryck av 4 bar, varvid kvävehalten genom indiffusion i pulvermaterialet steg till det i Tabell 1 angivna värdet. Genom den låga nitreringstemperaturen skedde ingen väsentlig strukturförändring, t ex karbídförgrovníng, i stålpulvret, som inte heller sintrade samman. Detta kunde därför behandlas som ett rinnande material och satsas i behållare för kompaktering. Innan pulvret avlägsnades ur nitreringskärlet, avlägsnades ett övre, delvis oxiderat skikt av pulvret. Detta skikt fungerade under nitreringen som syreupptagande getter för resten av pulvret.

De fyra kompakterade ämnena av stål nr 1, 2, 3 och 7 smiddes till ca BO x 40 mm. För testning av provmaterialen, stål nr 1, 2, 3 och 7, och jämförelsematerialen, nr 4, 5 och 6, tillverkades stansar med diameter 10 mm samt dynorÅ Stansarna och dynorna härdades och anlöptes enligt följande: Tabell 2 Stål nr Austenitisierings- Anlöpnings~ Hârdhet temperatur (°C) temperatur (°C) (HRC) 1 1070 200 61 2 1050 200 52 3 1020 200 62 4 1150 570 61 5 1100 520 52 6 1020 200 62 7 1020 200 51 10 15 20 25 30 35 456 650 Dessa stansar och dynor utnyttjades för förslitningsförsök. Först uppmättes slitstyrkan uttryckt som stansförslitning som funktion av antal klipp i rostfritt stål av 18/8-typ, dvs under adhesiva (kle- tande) nötningsbetingelser. Resultatet framgår av Fig. 1. I denna figur har även lagts in ett typiskt utseende på en förslitningsskada på ett stansverktyg. Verktyget enligt det uppfinningsenliga stålet nr 7 uppvisade ingen märkbar förslitningsskada. Även stål nr 3 och nr 1 uppvisade mycket god motståndskraft mot denna typ av förslitning. Övriga testade material hade klart sämre värden.

Därefter testades även förslitningen under abrasiva nötningsbeting- elser av stansar framställda av de undersökta materialen. Stansningen skedde i detta fall i höghållfasta stålband, Fig. 2. Även i detta fall uppvisade det uppfinningsenliga stålet nr 7 minst förslitning. Därnäst följde de höglegerade stålen nr 3 och nr 5. Stål nr l var under dessa abrasiva nötningsbetingelser något sämre, dock klart bättre än det konventionella kallarbetsstålet nr 6. Snabbstålet nr 4 visade en mer avvikande förslitningsbild. Till en början var slitstyrkan god, men visade efter hand en tendens att accelerera. De i Fig. 1 och 2 illustrerade försöksresultaten visar att kvävelegeringen hade ett mycket gynnsamt inflytande på motstândskraften mot stansförslitning, och särskilt markant var denna förbättring vid stansning i kletande material, Fig. 1. Detta tyder på att det kvävelegerade kallarbets- stålet uppvisade en mycket låg friktionskoeffïcient mot de material som stansades och i synnerhet mot kletande material. Man kan påstå att man genom nitreringen av pulvret före konsolideríng uppnådde en frik- tionsnedsättande effekt motsvarande den effekt som med avseende på förslitningsbilden uppnås genom de s k PVD- och CVD-metoderna (Physical Vapour Deposition, respektive Chemical Vapour Deposition) men utan dessa metoders nackdelar, såsom höga kostnader, behov av särskilda utrustningar, toleransproblem etc. Det konsoliderade materialet var även lätt att bearbeta till önskade dimensioner i icke-härdat tillstånd. 456 650 10 Sammanfattningsvis uppvisar stål nr 7 en egenskapsprofil som är den klart bästa för kallarbetsstål, isynnerhet för stansande och klippande verktyg, då slitstyrkan är den kritiska egenskapen och normalt höga krav ställs på slagsegheten. f.

Claims

10 15 20 25 30 35 456 650 PATENTKRAV

1. Kal1arbetsstål.med mycket hög nötningsbeständighet och god slag- seghet, framställt pulvermetallurgiskt genom konsolidering av metall- pulver till en homogen kropp, k ä n n e t e c k n a t av att det har följande kemiska sammansättning, uttryckt i vikts-%: 0.5 - 2.5 C 0.1 - 2 Si 0.1 - 2 Mn 0.5 - 1.5 N 6.5 - ll Cr max 4 Mo max 1 3 - 15 varvid högst halva vanadinmängden kan ersättas av 1.5 gånger så mycket niob, och varvid förhållandet V/(C + N) skall vara lägst 2.5 och högst 3.8, rest väsentligen endast järn samt föroreningar och accessoriska element i normala halter, och att den totala karbonitridmängden, där huvuddelen av karbonitriderna utgörs av karbonitrider av M(C, N)-typ, uppgår till mellan 5 och 20 volym-%.

2. Kallarbetsstål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 8-12 % V, företrädesvis 9-11 % V.

3. Kallarbetsstål enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 1.5-2.5 % C.

4. Kallarbetsstål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 3-5 % V och 0.5 - 1.5 % C.

5. Kallarbetsstål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 5-7 % V och 1.0 - 2.0 % C.

6. Kallarbetsstål enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 7-10 % Cr. 456 650 10 15 20 25 30 35

7. Kallarbetsstål enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 0.5-3 % Mo, företrädesvis 1-2 % Mo.

8. Kallarbetsstål enligt något'av kraven 1-7, k ä n n e t e c k n a t av att det inte innehåller mer än föroreningshalter av W.

9. Kallarbetsstål enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 0.2-0.9 % Mn.

10. Kallarbetsstål enligt något av kraven 1-9, k ä n n e t e c k - n a t av att det innehåller 0.5-1.5 % Si.

11. Kallarbetsstål enligt något av kraven l-5, k ä n n e t e c k n a t av att förhållandet V/(C + N) uppgår till minst 2.5 och högst 3.8.

12. Kallarbetsstål enligt krav 11; k ä n n e t e c k n a t av att förhållandet V/(C + N) uppgår till minst 3.0.

13. Sätt att framställa ett kallarbetsstål med mycket hög nötnings- beständighet och god slagseghet, k ä n n e t e c k n a t av att man av en metallsmälta med följande kemiska sammansättning framställer ett metallpulver: 0.5 - 2.5 C 0.1 - 2 Si 0.1 - 2 Mn max 0.5 N 6.5 - 11 Cr max 4 Mo max 3 - 15 V, varvid högst halva vanadínmängden kan esättas av 1.5 gånger så mycket niob, rest väsentligen endast järn samt föroreningar och accessoriska element i normala halter, 10 15 20 25 30 456 650 att detta pulver nitreras med hjälp av kvävgas i stålets ferritiska tillstånd vid en temperatur mellan 650° och 850°C under så lång tid att kvävehalten i stålet genom indiffusion av kväve höjs till en halt mellan 0.5 och 1.5 % och så att förhållandet V/(C + N) blir lägst 2.5 och högst 3.8, och att pulvret därefter konsolideras till en homogen kropp med full- ständig täthet.