SE507215C2

SE507215C2 - Process for making a steel more malleable by ferrite separation and steel made according to the process

Info

Publication number: SE507215C2
Application number: SE9002249A
Authority: SE
Inventors: Thore Lund; Anneli Ingo; Ing-Marie Drugge
Original assignee: Ovako Steel Ab
Priority date: 1990-06-26
Filing date: 1990-06-26
Publication date: 1998-04-27
Also published as: ES2027940T1; SE9002249D0; ES2027940T3; DE69112295T2; EP0464013A1; DE69112295D1; SE9002249L; EP0464013B1; DE464013T1

Abstract

A steel in which the only alloying additive (besides carbon) is molybdenum and/or tungsten in a total amount of 0,2 - 2,0 %. The steel is manufactured by a method whereby an increased ferrite amount is produced in the steel before pearlite is formed therein by keeping the cooling rate below a critical value, thereby facilitating working of the steel before its final treatment (such as by tempering). The amount of silicon and manganese in the steel is particularly limited, the total content of silicon and manganese being less than 0,30 % and the amount of each of these substances, silicon and manganese, is preferably below 0,15 %. In a certain embodiment, 1 - 2 % of chromium is also added to the steel in order to increase the temperability of the steel. <IMAGE>

Description

15 20 25 30 35 507215 2 Si Mn P S Ni 0,10% 0,20% 0,015% 0,015% <0,10% Cu Al 0,20% 0,010 - 0,060% Sådant stål har ofta Mo = 0,45 % och C= 0,75 % och kan givetvis efter önskemål lätt kompletteras då högre halter Mo eller C önskas. 15 20 25 30 35 507215 2 Si Mn PS Ni 0.10% 0.20% 0.015% 0.015% <0.10% Cu Al 0.20% 0.010 - 0.060% Such steel often has Mo = 0.45% and C = 0.75% and can of course be easily supplemented as desired when higher levels of Mo or C are desired.

Ett annat alternativt riktvärde med avseende på "normala" resthalter är Si 0,05% och Mn 0,10% medan övriga leger- ingsämnen är såsom i föregående exempel.Another alternative guideline value with regard to "normal" residues is Si 0.05% and Mn 0.10%, while other alloying substances are as in the previous example.

Uppfinningen liksom utföringsformer därav definieras i de bilagda patentkraven.The invention as well as embodiments thereof are defined in the appended claims.

Det uppfinningsenliga sättet kan sägas innebära att man väljer ett stål inom ramen för den angivna kompositionen och utsätter detta för en kylning vars hastighet under- skrider ett visst värde såsom anges i det bilagda patent- kravet 1 och närmare diskuteras nedan och i anslutning till de bilagda osjälvständiga patentkraven. Uppfinningen omfattar även sﬁä.med den angivna kompositionen och den struktur som erhålles genom sättet.The method according to the invention can be said to mean that a steel is selected within the scope of the specified composition and subjected to a cooling whose speed falls below a certain value as stated in the appended claim 1 and is discussed in more detail below and in connection with the appended dependent claims. The invention also encompasses the stated composition and the structure obtained by the process.

Effekten av det uppfinningsenliga sättet är att stålets struktur kommer att uppvisa en oväntat hög mängd ferrit så att stålet blir motsvarande mindre hårt att bearbeta.The effect of the method according to the invention is that the structure of the steel will have an unexpectedly high amount of ferrite so that the steel becomes correspondingly less hard to process.

Uppfinningen kan enklast illustreras i anslutning till ett eutektoidiskt stål. Som bekant har ett eutektoidiskt stål såsom kolstål 0,8% C, definitionsmässigt en perlithalt på 100% och är därför svårt att forma/bearbeta oberoende av hur det har fått svalna. Genom uppfinningen uppträder däremot ett fenomen som är särskilt tydligt då det enligt 10 15 20 25 30 a 507215 uppfinningen utvalda stålet har nära eutektoid sammansätt- ning och underkastas den angivna svalningen.The invention can most easily be illustrated in connection with a eutectoid steel. As is known, a eutectoid steel such as carbon steel has 0.8% C, by definition a perlite content of 100% and is therefore difficult to shape / process regardless of how it has been allowed to cool. By means of the invention, on the other hand, a phenomenon occurs which is particularly clear when the steel selected according to the invention has a close eutectoid composition and is subjected to the specified cooling.

Fenomenet är att ferrit överraskande först utskiljes och att sedan en urartad perlit bildas. Den normala förvänt- ningen var att strukturen i sin helhet skulle vara av perlitkaraktär eftersom ju stålkompositionen har nära eutektoid sammansättning.The phenomenon is that ferrite is surprisingly first excreted and then a degenerate perlite is formed. The normal expectation was that the structure as a whole would be of a perlite character, since the steel composition has a close eutectoid composition.

Tack vare den utskilda ferriten blir stålet mindre svårt att bearbeta/forma.Thanks to the secreted ferrite, the steel becomes less difficult to process / shape.

För ett eutektoidiskt stål av den föreskrivna sammansätt- ningen, med Mo halten 0,50 % kan man genom uppfinningen faktiskt erhålla en struktur som nära liknar den för ett kolstål med 0,2% stål, d.v.s. en stor andel ferrit är utskild vid sidan av perliten. En sådan struktur är överr- askande för ett stål som har eutektoid sammansättning.For a eutectoid steel of the prescribed composition, with a Mo content of 0.50%, one can in fact obtain by the invention a structure which is closely similar to that of a carbon steel with 0.2% steel, i.e. a large proportion of ferrite is excreted alongside the perlite. Such a structure is surprising for a steel having a eutectoid composition.

Vid strukturen som erhålles genom uppfinningen är perliten urartad. Sådan urartad perlit är i sig känd och typisk för stål som innehåller Mo.In the structure obtained by the invention, the perlite is degenerate. Such degenerate perlite is known per se and is typical of steels containing Mo.

Uppfinningen kan generaliseras enligt följande med avseende på en eutektoid sammansättning för det stål som användes.The invention can be generalized as follows with respect to a eutectoid composition for the steel used.

För att erhålla pro-eutektoid ferrit i stål med nominellt eutektoid sammansättning, kräves: stålet måste innehålla en väsentlig halt av ett starkt karbidbildande ämne. Exempel på sådana ämnen är molybden och wolfram. Effekten av att ett starkt karbidbildande ämne tillsättes är att bildningen av perlit kraftigt fördröjes. 10 15 20 25 30 35 507215 4 Stålet måste vara väsentligen fritt från ämnen som underlättar perlitbildning. Speciellt måste halterna av kisel och mangan hållas låga.To obtain pro-eutectoid ferrite in steel with nominal eutectoid composition, it is required: the steel must contain a substantial content of a strong carbide-forming substance. Examples of such substances are molybdenum and tungsten. The effect of adding a strong carbide-forming substance is that the formation of perlite is greatly delayed. 10 15 20 25 30 35 507215 4 The steel must be substantially free of substances that facilitate perlite formation. In particular, the levels of silicon and manganese must be kept low.

Vid svalnandet måste en viss kritisk kylningshastighet underskridas för att pro-eutektoid ferrit skall ut- skiljas.During cooling, a certain critical cooling rate must be exceeded in order for pro-eutectoid ferrite to be excreted.

Den kritiska kylningshastigheten bestäms av stålets sammansättning, och då framför allt av halten stark karbid- bildare.The critical cooling rate is determined by the composition of the steel, and then above all by the content of strong carbide formers.

Mängden utskild ferrit ökar med sjunkande svalningshastig- het.The amount of excreted ferrite increases with decreasing cooling rate.

Mängden utskild ferrit ökar med stigande halt Mo eller W och sjunker med stigande halter Si och Mn.The amount of excreted ferrite increases with increasing content Mo or W and decreases with increasing levels Si and Mn.

Den bildade ferriten innehåller en avsevärd mängd submikro- skopiska partiklar av MC-typ. För ett endast Mo-legerat stål är karbiderna molybdenkarbider.The formed ferrite contains a considerable amount of sub-microscopic particles of the MC type. For a Mo-alloy steel only, the carbides are molybdenum carbides.

Typisk storlek för dessa karbidutskiljningar är l nanometer.Typical size for these carbide deposits is 1 nanometer.

Fastän uppfinningen enklast kan beskrivas i anslutning till stål av eutektoid karaktär, inses emellertid att upp- finningen med fördel är tillämpbar även för icke eutektoi- dﬁ¶æ.stål som är lämpliga att användas som exempelvis sätthärdningsstål, seghärdningsstål, induktionshärdning- sstål, fjäderstål och rullningslagerstål.Although the invention can most easily be described in connection with steels of eutectoid nature, it will be understood that the invention is advantageously also applicable to non-eutectoid steels which are suitable for use as, for example, set hardening steels, toughening steels, induction hardening steels, spring steels and rolling bearing steel.

S-innehållet i stålet kan vara anpassat till stålets använd- ningsområde varvid S-innehållet lämpligen är mindre än eller lika med 0,0l5% för stål med ett användningsområde i vilket plastisk formning är den primära formningsopera- 10 15 20 25 30 35 s 507215 tionen. S-innehållet kan ligga inom intervallet 0,010 - 0,025 för stål som primärt skall utsättas för skärande bearbetning. Då kraven för stålets skärbarhet är höga bör S-innehållet lämpligen ligga i intervallet 0,010 - 0,080%.The S content of the steel may be adapted to the range of use of the steel, the S content being suitably less than or equal to 0.055% for steels having a range of use in which plastic forming is the primary forming operation 507215 tion. The S content can be in the range 0.010 - 0.025 for steel which is primarily to be subjected to cutting machining. As the requirements for the steel's machinability are high, the S content should suitably be in the range 0.010 - 0.080%.

Ti-innehållet är lämpligen mindre än 50 ppm och 0-innehållet är lämpligen mindre än eller lika med 20 ppm.The Ti content is suitably less than 50 ppm and the O content is suitably less than or equal to 20 ppm.

På den bifogade figuren 1 visas ett CCT-diagram som illu- strerar uppfinningen.Figure 1 shows a CCT diagram illustrating the invention.

Fig. 2, 3 och 4 visar i tre olika förstoringar, som anges på respektive fig., strukturen hos ett stål med en uppfin- ningsenlig sammansättning efter kylning med en kylnings- hastighet inom det uppfinningsenliga området.Figs. 2, 3 and 4 show in three different magnifications, indicated in each fig., The structure of a steel with an composition according to the invention after cooling with a cooling rate within the field according to the invention.

Fig. 5, 6 och 7 visar, såsom jämförelse, i samma förstor- ingar som fig 2 - 4 respektive strukturen hos ett kolstål C = 0,2 % som kylts med samma kylningshastighet.Figs. 5, 6 and 7 show, for comparison, in the same magnifications as Figs. 2-4 and the structure of a carbon steel C = 0.2% which has been cooled at the same cooling rate.

Fig. 8 visar strukturen hos ett enligt uppfinningen fram- bringat stål, men hög Mo-halt och låga halter Si och Mn.Fig. 8 shows the structure of a steel produced according to the invention, but high Mo content and low contents Si and Mn.

Fig. 9 och 10 visar strukturen hos stål som kylts med samma hastighet som stålet enligt fig. 8, men har låg Mo- halt, låg Mn-halt och hög Si-halt, respektive ett stål med låg Mo-halt, hög Si-halt och hög Mn-halt.Figs. 9 and 10 show the structure of steel which is cooled at the same rate as the steel of Fig. 8, but has low Mo content, low Mn content and high Si content, and a steel with low Mo content, high Si content, respectively. content and high Mn content.

På figur 1, undre delen visas för varje kylningskurva ett antal sifferuppgifter vilka avser de storheter som anges i mitten av tabellraderna. Fig. 1 hänför sig till ett eutekto- idisk stål med Mo = 0,5 % och resthalter understigande de angivna gränserna.In Figure 1, the lower part shows for each cooling curve a number of figures which refer to the quantities indicated in the middle of the table rows. Fig. 1 relates to a eutectoid steel with Mo = 0.5% and residues below the specified limits.

Med Diameter/mm avses ett jämförelsemått för kylningen, d.v.s. kylningshastigheten för den ifrågavarande kurvan är 10 15 20 25 30 507215 6 den som erhålles vid luftkylning av en stålstång med den angivna diametern i millimeter.By Diameter / mm is meant a comparative measure for the cooling, i.e. the cooling rate of the curve in question is that obtained by air cooling a steel bar of the specified diameter in millimeters.

C/s (800-400) avser kylningshastigheten i C° per sekund i temperaturintervallet 800 - 400°C.C / s (800-400) refers to the cooling rate in C ° per second in the temperature range 800 - 400 ° C.

Ps/C avser den temperatur i °C vid vilken perlit börjar bildas.Ps / C refers to the temperature in ° C at which perlite begins to form.

HV (30 kg) avser resultatet av hårdhetsmätning enligt Vickers med belastningen 30 kg.HV (30 kg) refers to the result of hardness measurement according to Vickers with a load of 30 kg.

På figur l visas även perlitutvecklingsområdet markerat med P mellan två allmänt horisontella linjer som illustrerar perlitutvecklingens början och slut. Vid den undre hori- sontella linjen anges strukturens perlitmängd i procent för respektive svalningshastighet.Figure 1 also shows the perlite development area marked with P between two generally horizontal lines illustrating the beginning and end of the perlite development. At the lower horizontal line, the perlite amount of the structure is stated as a percentage for each cooling rate.

I högra övre delen av figur 1 finns ett kilformat område ovanför den övre perlitgränskurvan. Detta kilformade område är försett med markeringen F och illustrerar den uppfin- ningsenliga ferritutvecklingen.In the upper right part of Figure 1 there is a wedge-shaped area above the upper perlite boundary curve. This wedge-shaped area is provided with the marking F and illustrates the development of ferrite according to the invention.

Av figur 1 kan man klart se att ferrit F har börjat ut- vecklas när kylningshastigheten underskrider 0,74°C/s. I och för sig kan man spåra en ferritutveckling redan vid kyl- ningshastigheten 0,84°C/s, men ferritmängden är då liten.From Figure 1 it can be clearly seen that ferrite F has begun to develop when the cooling rate falls below 0.74 ° C / s. As such, a development of ferrite can be traced already at the cooling rate of 0.84 ° C / s, but the amount of ferrite is then small.

I praktiken bör därför kylningshastigheten vara mindre än 0,80°C/s för det stål som figur 1 avser, d.v.s. ett eutek- oidstål som förutom Fe och C väsentligen består av Mo 0,5% varvid Si är O,lO% och Mn 0,20%, medan övriga ämnen har de resthalter som ovan angivits vara acceptabla för skrot- baserat kullagerstål. 10 15 20 25 30 35 7 507215 Det bör emellertid stå klart att man kan ersätta eller komplettera Mo med W, varvid gränsen 0,2 - l,0%, gäller för summan av Mo och W, och varvid övriga legeringsmaterial, särskilt Si och Mn är begränsade på tidigare häri angivet sätt, och i den utsträckning som är tillämplig för den tillverkningsprocess som är applicerbar för stålet.In practice, therefore, the cooling rate should be less than 0.80 ° C / s for the steel referred to in Figure 1, i.e. a eutekoid steel which, in addition to Fe and C, essentially consists of Mo 0.5%, where Si is 0.1% and Mn 0.20%, while other substances have the residues stated above to be acceptable for scrap-based ball bearing steel. 10 15 20 25 30 35 7 507215 However, it should be clear that Mo can be replaced or supplemented with W, where the limit of 0.2 - 1.0% applies to the sum of Mo and W, and whereby other alloying materials, in particular Si and Mn are limited in the manner previously set forth herein, and to the extent applicable to the manufacturing process applicable to the steel.

Likaså kan en komplettering med Cr göras för att öka stålets genomhärdbarhet.Likewise, a supplement with Cr can be made to increase the steel's hardenability.

Figurerna 2 - 4 tjänar till att illustrera att strukturen av det stål som beskrives i anslutning till figur l och avkyles med en hastighet av ca 0,21°C per sekund, får en struktur vilken väl kan jämföras med strukturen av rent kolstål med C = 0,2%, som kylts med samma hastighet och som illustreras på fig. 5 - 7 respektive.Figures 2 - 4 serve to illustrate that the structure of the steel described in connection with Figure 1 and cooled at a rate of about 0.21 ° C per second, has a structure which can well be compared with the structure of pure carbon steel with C = 0.2%, cooled at the same rate and illustrated in Figs. 5 - 7, respectively.

Av denna jämförelse framgår att ett enligt uppfinningen valt och enligt uppfinningen behandlat Mo- eller W-stål med eutektoidisk sammansättning får en struktur med en uttalad mängd fri ferrit varvid ferritmängden motsvarar den som uppkommer i kolstål med C = 0,2 % och därför erhåller det enligt uppfinningen åstadkomna eutektoidiska stålet en formbarhet/bearbetbarhet som är jämförbar med den för ett kolstål med 0,2% C. Det bör emellertid stå klart att den redovisade effekten åtminstone i någon mån erhålles även för övriga stål och kylningshastigheter inom de föreskrivna gränserna.From this comparison it appears that a Mo or W steel of the invention selected and treated according to the invention with a eutectoid composition has a structure with a pronounced amount of free ferrite, the amount of ferrite corresponding to that arising in carbon steel with C = 0.2% and therefore it according to the invention, the eutectoid steel has a formability / machinability comparable to that of a carbon steel with 0.2% C. However, it should be clear that the reported effect is obtained at least to some extent also for other steels and cooling rates within the prescribed limits.

Fig. 8 visar en enligt uppfinningen erhållen struktur hos ett stål med Mo = 0,5 %, Si < 0,15 % och Mn < 0,15 %.Fig. 8 shows a structure obtained according to the invention of a steel with Mo = 0.5%, Si <0.15% and Mn <0.15%.

Fig. 9 visar strukturen hos ett stål med Mo = 0,2 %, Si ungefär = 0,30 % och Mn < 0,15 %, varvid strukturen erhål- lits vid en kylningshastighet motsvarande den för stålet enligt fig. 8. 10 15 20 25 30 35 507215 8 Fig. 10 visar den resulterande strukturen när Mo-halten är = 0,2 %, Mn-halten är hög, d.v.s. = 0,30 % och = 0,30 %. låg, d.v.s.Fig. 9 shows the structure of a steel with Mo = 0.2%, Si approximately = 0.30% and Mn <0.15%, the structure being obtained at a cooling rate corresponding to that of the steel according to Fig. 8. Fig. 10 shows the resulting structure when the Mo content is = 0.2%, the Mn content is high, i.e. = 0.30% and = 0.30%. low, i.e.

Si-halten är hög, d.v.s.The Si content is high, i.e.

Fig. 8 - 10 tyder på att den önskade gynnsamma strukturen (fig. 8) med relativt stor mängd fri ferrit primärt erhålles när stålkompositionen har en Mo-halt inom området 0,2 - 1,0 % och låga halter Si och Mn (varvid övriga resthalter är låga såsom beskrivits) och när stålet kyles med en hastighet som är lägre än ett kritiskt värde, såsom be- skrivits i anslutning till fig. 1.Figs. 8 to 10 indicate that the desired favorable structure (Fig. 8) with a relatively large amount of free ferrite is obtained primarily when the steel composition has a Mo content in the range 0.2 - 1.0% and low contents of Si and Mn (wherein other residues are low as described) and when the steel is cooled at a rate lower than a critical value, as described in connection with Fig. 1.

Med hänvisning till figur 1 inses att om man väljer en lägre Mo-halt i stålet, så krävs en lägre kylningshastig- het för att man skall bibehålla den ferritutveckling som indikeras på figur 1. Ju större mängd restämnen det valda stålet innehåller, särskilt då beträffande Si och Mn, desto mindre blir mängden F.With reference to Figure 1, it will be appreciated that if a lower Mo content is selected in the steel, a lower cooling rate is required in order to maintain the ferrite evolution indicated in Figure 1. The greater the amount of residues the selected steel contains, especially in the case of Si and Mn, the smaller the amount becomes F.

Den i strukturen utvecklade ferriten är förhållandevis "ren" eftersom alla element som sätter sig i ferriten är undertryckta i det valda stålet, varigenom ferritfasens storlek och renhet erbjuder god bearbetbarhet för stålet.The ferrite developed in the structure is relatively "pure" because all the elements that settle in the ferrite are suppressed in the selected steel, whereby the size and purity of the ferrite phase offer good machinability for the steel.

De element som ger slutprodukten dess önskade slutegen- skaper, avsättes i karbidform och frigöres endast när så erfordras, d.v.s. vid härdning av stålet.The elements which give the final product its desired final properties are deposited in carbide form and released only when required, i.e. when hardening the steel.

De submikroskopiska partiklar som utskiljs i samband med ferritbildningen är tämligen jämnt fördelade i stålet.The submicroscopic particles that are separated out in connection with the formation of ferrite are fairly evenly distributed in the steel.

Fördelningen, och den mycket ringa storleken, medför inga negativa konsekvenser för stålets formbarhet. Däremot underlättar de i de submikroskopiska karbiderna bundna halterna kol och karbidbildare (exempelvis Mo) att härd- ningen av stålet underlättas genom snabbare homogenisering vid austenitiseringen.The distribution, and the very small size, have no negative consequences for the formability of the steel. On the other hand, the levels of carbon and carbide formers bound in the submicroscopic carbides (eg Mo) facilitate that the hardening of the steel is facilitated by faster homogenization during austenitization.

Claims

10 15 20 25 30 9 507215 Patent claim

Ways to make a steel more easily malleable before final treatment, for example curing, characterized in that a steel with a carbon content in the range 0.10 - 1.20% is selected and which, in addition to Fe and C, in amounts which are adapted for the application of steel, as the only intentional alloying additive, Mo and / or W contain in a content in the range 0.2 - 2.0%, possibly in combination with Cr, while other alloys normally used in steel such as Ni, V and especially Si and Mn, are limited to the lowest normal level applicable to the industrial manufacturing process which is applicable to the steel, and that the steel is cooled at a cooling rate below 0.80 ° C / S so that an increased amount of ferrite is precipitated in the steel structure before perlite formation. therein, which ferrite contains MC-type submicroscopic particles.

Process according to Claim 1, characterized in that a steel is chosen which has the sole intentional alloying additive having Mo and / or W in a content in the range 0.2 - 2.0% in combination with Cr in the range 1 - 2%.

Method according to one of Claims 1 to 2, characterized in that a steel with a total content of Si and Mn of less than 0.30% is selected, the amount of Si and Mn being preferably less than 0.15% each.

4. A method according to claim 1-3, characterized in that the C content is 0.1 - 0.35%, the steel being suitable as a set hardening steel.

Steel according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the C content is 0.25 - as toughening steel. 0.60% with the steel being suitable 507215, 0

Process according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the C content is 0.45 to 0.85%, the steel being suitable as induction hardening steel.

A method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the C content is 0.70 to 1.15%, the steel being suitable as spring steel and rolling bearing steel.

Steel manufactured according to any one of claims 1 - 7.