SE467929B - Utskiljningshaerdande, austenitiskt varmarbetsstaal samt saett att framstaella verktyg av staalet - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 467 929 2 * Varmsträckgräns (varmhårdhet) * Anlöpningsbeständighet * Varmduktilitet/seghet Dessa egenskaper skall vara så höga som möjligt vid temperatur omkring 700°C. I synnerhet varmsträckgräns och anlöpningsbeständighet (förmåga att motstå tídsberoende mjuknande vid hög temperatur) har avgörande betydelse.

För sådana här verktyg används för närvarande i viss utsträckning konventionella, martensitiska varmarbetsstål, t ex av typ AISI H13 (ca. O.40% C-l.0% Si-0.5% Mn-5% Cr-l.3% Mo-O.9% V). Dessa ståltyper har bra duktilitet/seghet, men tyvärr otillräcklig varmhållfasthet och anlöpníngsbeständighet vid här aktuella temperaturer (ca. 700°C). De erbjuder därför som regel alldeles för korta verktygslivslängder med avseende på i första hand varmnötning resp. plastísk deformation.

Dessutom används i allt högre utsträckning s k superlegeringar, vilka är mycket högt legerade metallíska material, oftast utskiljnings- härdade medelst intermetalliska faser. Sådana material kan erbjuda mycket hög varmhållfasthet och anlöpningsbeständighet och ger i många fall mycket bra verktygslivslängder. Nackdelar med superlegeringar är dock, att de genom sin kemiska sammansättning blir mycket dyra att utnyttja resp. svåra att få tillgång till (svårtillverkade) i tillräckligt grova dimensioner. Exempel på i detta sammanhang använda superlegeringar är t ex: järnbaslegeringen A 286 (ca.0.04% C-15% Cr-26% Ni-l.3% Mo-2.0% Ti-0.2% Al) resp. nickelbaslegeringen Renê 41 (ca. o.1o% c-19% cr-ssfls Ni_11% co-ioß Mo-zee 'ri-Lst A1). ' På senare tid har dessutom s k keramer börjat komma till användning för mindre verktyg inom detta område. Keramer kan erbjuda extremt bra varmhållfasthet och anlöpningsbeständighet. Problemet med hitills tillgängliga keramer är dock att de är alldeles för spröda och sålunda alltför lätt ger upphov till verktygshaverier genom sprickbildning/ brott. De är dessutom mycket dyra samt svårbearbetade, vilket medför mycket höga verktygskostnader. 10 15 20 25 30 35 KORT REDoGöRELsE FÖR UPPFINNIGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att erbjuda ett stål till verktyg för varmformning av koppar, mässing och stål med följande kombination av kännetecken: * Stålet har en mycket god kombination av kritiska egenskaper (hög varmsträckgräns, god anlöpningsbeständighet och varmduktilitet/seghet). Varmsträckgräns resp. anlöpnings- beständighet är mycket överlägsna de som kan uppnås för konventionella, martensitiska varmarbetsstål. De är i stället i klass med vad som kan erhållas med exklusiva super- legeringar.

* Stålet har lågt innehåll av dyra legeringselement och legeringskostnaden blir därför mycket lägre än för super- legeringar. Den blir i stället jämförbar med den för konventionella, martensitiska varmarbetsstål, vilka i detta sammanhang anses som "billiga" verktygsmaterial.

* Stålet kan tillverkas (smältas, smidas/valsas och värme- behandlas etc.) med gott resultat med för konventionella verktygsstål etablerade processer/metoder - även i tillräckligt grova dimensioner.

Stål, uppfyllande ovanstående kännetecken, utgörs enligt uppfinningen av utskiljníngshärdande, austenitiska legeringar inom följande sammansättningsintervall (vikt %): 0:35 - 0.60 C max. 1 Si 9-17 _ -Mn 2 - 8 Cr max. 2 Ni 1 - 4 Mo, som helt eller delvis kan utbytas mot dubbla mängden (vikt %) W. 1.2 - 1.8 V 0.001 - 0.020 B Rest i huvudsak Fe, föroreningar och accessoriska element. 10 15 20 25 30 35 467 929 I korthet kan stålets tekniska egenskaper beskrivas på följande sätt: - Efter upplösníngsbehandling i temperaturområdet 1100 - l200°C samt svalning till rumstemperatur består grundmassan av austenit och en hårdhet på ca. 25 HRC erhålls.

- Genom åldringsbehandling i temperaturområdet 650 - 750°C kan hårdheten genom utskiljningshärdning ökas till maximalt ca. 45 HRC. Grundmassan är efter åldring och svalning till rumstemperatur fortfarande austenitisk.

- Den kraftiga utskiljningshärdningseffekten, som kan uppgå till hela ca. 20 HRC mätt som hårdhetsökning, erhålles genom att en mycket findispers och temperaturbeständig utskiljning av MC (vanadinkarbid) erhålles intragranulärt vid åldringen.

- Stålet uppvisar i utskiljningshärdat tillstånd mycket hög varmhållfasthet och anlöpníngsbeständighet, kombinerat med förhållandevis god duktílitet/seghet.

Det är den unika kombinationen av legeringselement i väl avvägda halter, som ger stålet dess optimala egenskaper. Betydelsen av vart och ett av ovan nämnda legeringselement skall nu kortfattat beskrivas utan någon särskild prioritering.

Kol utgör tillsammans med vanadin huvudbeståndsdel i den utskiljnings- härdande fasen vanadínkarbid (MC). Effekten av utskiljningshärdningen avgörs av den mängd kol och vadadin, som finns i lösning efter upplösningsbehandling. Åtminstone ca 0.35, företrädesvis åtminstone 0.4% kol krävs för att kunna få en effektiv härdningseffekt. Ä andra sidan kan man inte lösa upp mer än ca. 0.6% kol vid upplösnings- behandlíng av den här ståltypen. Överskottskolet förblir i form av oupplösta vanadinkarbider, vilket försämrar stålets duktilitet/seghet på ett oönskvärt sätt. Detta innebär att stålet enligt uppfinningen skall innehålla 0.35 - 0.60% kol, med en optimal kolhalt i intervallet 0.4 - O.5% kol.

Kisel utgör inget nödvändigt legeringselement för uppfinningen utan nyttjas endast i halter normala för desoxidationspraxis vid 10 15 20 25 30 35 .lås (I\ *ei Kí) I\ D V) ståltillverkning. Kisel ökar dock kolaktiviteten i austenit, vilket innebär att kisel motverkar den nödvändiga upplösningen av vanadin- karbid vid upplösningsbehandling. Av den anledningen begränsas kiselhalten hos uppfinningen till max. 1%.

Mangan är ett starkt austenitstabiliserande element och utnyttjas här för att göra stålet èustenitiskt vid alla temperaturer. Det har visat sig att åtminstone ca. 9% Mn, företrädesvis minst 10% Mn krävs för att kunna uppnå detta. Mangan minskar dessutom kolaktiviteten i austeniten och underlättar därför samtidigt på ett gynnsamt sätt upplösningen av vanadinkarbid vid upplösningsbehandling. Höga manganhalter medför dock vissa metallurgiska komplikationer vid ståltillverkning, varför alltför höga halter medför onödiga problem och kostnader. Därför begränsas manganhalten till max. 17%, företrädesvis till max. 15% med en optimal manganhalt i intervallet 10.5 - 13%.

Krom ger likartade effekter som mangan avseende austenitstabilisering och kolaktivitet. Dessutom förbättrar krom på ett önskvärt sätt stålets oxidationsbeständighet. Ãtminstone 2% krom, företrädesvis minst 3% krom bör därför ingå i stålet. Vid höga kromhalter (över ca. 10%) börjar dock krom i oönskvärd omfattning bilda kromkarbíder vid åldringsbehandling, så att utskiljningshärdningen från vanadinkarbider succesivt går förlorad. Stålet enligt uppfinningen bör därför innehålla högst 8% krom företrädesvis max. 7% krom med en optimal kromhalt i intervallet 4 - 6% krom.

Nickel är liksom mangan ett starkt austenitstabiliserande element och kan av den anledningen delvis ersätta mangan i stålet. Liksom kisel ökar dock nickel kolaktiviteten hos austeniten på ett för upplösninge- behandlingen ogynnsamt sätt. Nickel är därför inte ett önskvärt legeringselement i detta sammanhang och nickelhalten begränsas därför hos uppfinningen till max. 2%, företrädesvis max O.5%. Lämpligen bör nickel ingå endast i halter som är normala för oundvikliga accessoriska element.

OO 10 15 20 25 30 35 467 929 Molybden förbättrar anlöpningsbeständigheten hos stålet genom att fördröja vanadinkarbidens förgrovning vid överåldring. Dessutom har molybden visat sig ge markanta ökningar av varmsträckgränsen delvis genom lösningshärdningsbidrag. Molybden bör därför ingå i en lägsta halt av 1%. Effekten av molybden ökar med ökande halt upp till ca. 4%, där en mättnadstendens uppträder. Molybden bör därför ingå i en halt mellan 1 - 4% med en optimal halt i intervallet 2 -3%.

Eftersom volfram är mycket nära besläktat med molybden men med dubbelt så stor atomvikt, så kan man förutsätta att liknande effekter kan erhållas med volframtillsats i dubbel mängd räknat i vikt %. Molybden kan därför eventuellt helt eller delvis ersättas med dubbla mängden volfram räknat i vikt %. Av tillverkningstekniska, skrothanteríngs- tekniska och därmed ekonomiska skäl är det emellertid önskvärt att molybden inte ersätts av volfram i någon grad i stålet, vars föredragna sammansättning därför innehåller volfram i endast föroreningshalter.

Vanadin utgör en huvudbeståndsdel i den utskiljningshärdade fasen vanadinkarbid (MC). Detta ämne utgör därför ett nyckelelement för uppfinningen och vid aktuella kolhalter krävs åtminstone ca. l.2% vanadin för att uppnå en någorlunda effektiv härdningseffekt. Alltför hög vanadinhalt försvårar emellertid nödvändig upplösning av vanadin- karbiden vid upplösningsbehandling, varför stålet inte bör innehålla mer än l.8% Vanadin. En optimal vanadinhalt ligger i intervallet 1.3 - 1.7%.

Såsom nämnts ovan är god varmduktilitet/seghet av primär betydelse för' aktuella verktygstillämpningar. Den svaga länken i mikrostrukturen med avseende på duktilitet/seghet hos ett sådant här utskiljningshärdat, austenitiskt stål är austenitkorngränsernas styrka (kohesion).

Korngränserna är som regel svagare än kornens inre och brotten tenderar därför att följa korngränserna med låg duktilitet/seghet som följd. Detta förhållande beror väsentligen på att ogynsamma korngränskarbider (t ex M C 23 6' utskiljs under åldringen samtidigt med den önskade findisperiva där M utgörs av Cr, Mo, Mn och Fe) 'ñ *fs- 10 15 20 25 30 35 -DI C)\ “sl \L) Pšä \() intragranulära vanadinkarbiden. Dessa korngränskarbider försprödar korngränserna genom att nedsätta deras kohesion.

I detta sammanhang har bor en mycket viktig uppgift som mikro- legeringselement. Vid tillsats av bor placerar sig detta element företrädesvis i austenitkorngränserna, tack vare dess mycket låga löslighet i stålet. Bor förändrar därigenom drastiskt förhållandena i korngränserna och således även förutsättningarna för utskiljning av korngränskarbider. I den här ståltypen har det visat sig, att bor- tillsatser minskar såväl mängden erhållen korngränskarbid som dess försprödande inverkan på ett för varmduktiliteten/segheten mycket betydelsefullt sätt (fördubbling av areakontraktionsvärdet vid dragprovning vid 700°C). Redan mycket små bortillsatser (någon tusendels procent) förmår "fylla" stålets korngränser och därmed i princip ge tillräcklig effekt. Stålet enligt uppfinningen skall därför innehålla minst 0.00l% bor, men för att önskad effekt med säkerhet skall erhållas bör borhalten uppgå till minst 0.003%. Alltför höga halter av bor kan däremot ge upphov till lättsmältande boridfaser, vilket är oönskvärt med tanke på tillverkningen (smidning/valsning) av stålet. Borhalten bör därför uppgå till max. 0.020%, företrädesvis till max. 0.015%.

FöRsöK - FÖREDRAGEN SAMMANSÄTTNING Ett antal 50 kg laboratoriecharger tillverkades, stål nr l - 5 i Tabell 1. Inledande laboratorieprovningar visade att bästa kombination av egenskaper uppnåddes med stål nr 2, 4 och 5. Utgående från dessa resultat tillverkades en 6 ton produktionscharge med den nominella sammansättningen (rest järn, föroreningar samt accessoriska element i normala halter): C Si Mn Cr Mo V B 0.45 0.5 12.0 5.0 2.5 1.5 0.009 Den verkliga sammansättningen framgår av tabell 1, stål nr 6. 10 15 20 25 30 35 467 929 Tabell l Kemisk sammansättning i vikts-% hos tillverkade stål, rest väsentligen järn Stål nr C Si Mn .44 .46 9.5 .45 .51 11.1 .45 1.00 l5.8 .44 .O49 12.5 .44 .45 12.3 .45 .52 11.8 O W à w N H .OO7 .OO8 .OlO .OO8 .OO8 .Ol7 .OO7 .OO6 .OO7 .OO6 .OO6 .OO8 Cr 5.54 5.68 11.3 5.59 5.46 5.14 Ni 6.0 .O4 .07 .O4 .O4 .l7 N N N N N N Mo .55 .55 .O3 .5O .6O .45 l-*I-'i-'l-'I-*l-l De av stål nr 6 erhållna göten smiddes och valsades under .49 .35 .65 .51 .75 .5O Cu .O3 .O3 .O2 .O2 .O2 produktionsmässiga förhållanden med fullgott resultat till olika stångdimensioner mellan 30 mm 0 och 150 mm Q. Detta visar klart att .O22 .O22 .O25 n.â. n.8.

.O47 stålet kan tillverkas med konventionella ståltillverkningsmetoder inom ett för den tilltänkta användningen lämpligt dimensionsområde.

Laboratorieprovningar (mikrostrukturundersökning, hårdhetsprovning, varmdragprovning resp. slagseghetsprovning) med smídd stång har givit följande typiska resultat: Upplösningsbehandlat tillstånd, 1l50°C-lh-vatten Hårdhet: 240 HB Mikrostruktur: Austenit med viss mängd oupplösta karbider av MC-typ. Åiarat tillstånd, voow-izn-iufc Hårdhet: 45 HRC Mikrostruktur: Som ovan plus viss korngränskarbidutskiljníng samt en mycket findispers utskiljning av íntragranulär vanadinkarbíd (MC).

.OO8 .OO8 .0O9 .0O9 .OO9 .OO8 10 15 20 25 30 35 4> CN ~a ND BD vb 9 Slagseghet: 12 Joule vid RT (Charpy V) 25 Joule vid 700°C Varmhållfasthet vid 700°C: RpO.2 Rm Ås Z (MP8) (MPa) (%) (%) 650 740 8 37 Som jämförelse bör nämnas att det martensitiska varmarbetsstålet AISI H13 resp. superlegeringarna A 286 och René 41 förmår ge approximativt följande värden på sträckgränsen (R ) vid 700°C: 150 resp. 550 och 850 MPa. p 0.2 De erhållna resultaten visar således att stålet enligt uppfinningen bestitterden mycket attraktiv kombination av varmhållfasthet, anlöpningsbeständighet och varmduktilitet/seghet.

Två fältprovningar genomfördes, där stålet prövades som verktygs- material för dornar (60 mm 0 x 200 mm) vid varmflytpressning av rörböjar i mässing. Dylika dornar medför ett svårartat material- tekniskt problem, ty de utsätts såväl för stor mekanisk belastning som för höga temperaturer, på grund av långa kontakttider med de heta mässingsämnen som pressformas. Lívslängden hos dornarna, som begränsas av att de förr eller senare deformeras plastiskt (böjer sig), utgör här en kritisk produktionsfaktor vid varmflytpressningen.

Tillämpningen är således mycket representativ för det som stålet är avsett att användas till. Vid den ena provningen användes en relativt lättpressad mässingslegering (CuZn4OPb2) och vid den andra provningen en mer svårpressad legering (CuZn36Pb2As). Normalt nyttjas det martensitiska varmarbetsstålet AISI H13 för dornarna i fråga. Förutom det nya stålet enligt uppfinningen testades ytterligare ett martensitiskt varmarbetsstål AISI H19, som har högre varmhållfasthet än H13 och just därför ofta används i sådana här applikationer, samt de två ovan nämnda superlegeringarna A 286 och René 41. 10 l5 20 25 30 35 467 929 Följande resultat erhölls: 10 Med CuZn4OPb2, ämnestemperatur ca. 700°C Dornmaterial Hårdhet (HRC) AISI H13 47 AISI H19 48 A 286 35 Stålet enligt 44 uppfinningen Dornlivslängd (antal skott) 650 1050 425 2900 Med CuZn36Pb2As, ämnestemperatur ca. 775°C Dornmaterial Hårdhet (HRC) AISI H13 47 Renê 41 41.5 Stålet enligt 44 uppfinningen Som synes har stålet enligt uppfinningen uppvisat mycket goda prestanda vid dessa inledande fältprovningar inom ett typiskt användningsområde. Ehuru ytterligare fältprovningar krävs innan man kan dra mer generella slutsatser visar resultaten att stålet besitter en potential som gör att det dels starkt kan överträffa martensitiska varmarbetsstål, dels direkt kan konkurrera med etablerade super- legeringar.

Dornlivslängd (antal skott) 200 200 01700

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 ll PATENTKRAV 467 929

1. Utskiljningshärdande, austenitiskt varmarbetsstål med hög varmsträckgräns och god anlöpningsbeständíghet och varmduktilitet (seghet) vid temperaturer omkring 700°C, k ä n n e t e c k n a t av att det har följande legeringssammansättning i vikts-%: 0.35 - 0.60 C max. 1 Si 9 - 17 Mn 2 - 8 Cr max. 2 Ni 1 - 4 mängden (vikts-%) W 1.2 - 1.8 V 0.001 - 0.020 B Mo, som helt eller delvis kan ersättas av dubbla rest väsentligen järn samt föroreningar och accessoriska element i normala halter.

2. Stål enligt krav 1, k ä n n e t 0.4 - 0.5 C.

3. Stål enligt krav 1, k ä n n e t 10 - 15 Mn.

4. Stål enligt krav 3, k ä n n e t 10.5 - 13 Mn.

5. Stål enligt krav 1, k ä n n e t 3 - 7 Cr, företrädesvis 4 - 6 Cr.

6. Stål enligt krav 1, k ä n n e t 2 - 3 Mo.

7. Stål enligt krav 1, k ä n n e t 1.3 - 1.7 V. aV aV aV aV aV EV att det att det att det att det att det att det innehåller innehåller innehåller innehåller innehåller innehåller lO 15 20 25 30 35 467 929 IE

8. Stål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 0.003 - 0.015 B.

9. Stål enligt något av kraven 1 - 9, k ä n n e t e c k n a t av att det har följande kemiska sammmansättning: .42 - .48 C .1 - .8 Si ll.6 - 12.4 Mn 4.5 - 5.5 Cr max. 0.5 Ni 2.2 - 2.8 M0 1.2 - 1.6 V .OO3 - .Ol5 B rest järn föroreningar och accessoriska element.

10. Sätt att behandla ett stål med följande kemiska sammansättning i vikts-%: 0.35 - 0.60 C max. 1 Si 9 - 17 Mn 2 - 8 Cr max. 2 Ni 1 - 4 Mo, som helt eller delvis kan ersättas av dubbla mängden (vikts-%) W 1.2 - 1.8 V 0.001 - 0.020 B rest väsentligen järn samt föroreningar och accessoriska element i normala halter samt att framställa verktyg av detta stål, k ä n n e t e c k n a t av att stålet smids och/eller varmvalsas till form av stänger eller block, varvid stålets innehåll av bor företrädesvis förekommer i austenitkorngränserna, där borförekomsten motverkar utskiljningen av för duktiliteten ogynsamma korngränskarbider, att det smidda och/eller varmvalsade stålet upplösningsbehandlas i temperaturområdet 1100 - l200°C samt avkyls till rumstemperatur så att stålet bibehåller en »qi I: 10 15 20 25 30 35 467 929 13 austenitisk grundmassa och erhåller en hårdhet på max. 30 HRC, att av detta upplösningsbehandlade stål framställs verktyg till åtminstone nära färdig form genom skärande bearbetning, och att nämnda verktyg åldringsbehandlas i temperaturområdet 650 - 750°C, varvid erhålles en mycket findispers och temperaturbeständig, intragranulär utskiljning av vanadinkarbid (MC) i den fortfarande austenitiska grundmassan och en av utskiljningshärdningen betingad hårdhetsökning till över 40 HRC.