SE512970C2 - Stål, användning av stålet, av stålet framställd produkt samt sätt att tillverka stålet - Google Patents

Description

si: lll 10 15 20 25 30 35 512 9.70 2 innehåller l.5-2.5 vol-%, i stålets grundmassajärnnt fördelade MC-karbider, där M utgörs av väsentligen endast vanadin.

Den pulvermetallurgiska tillverkningen av stålet kan utföras med tillämpning av känd teknik för tillverkning av stål, företrädesvis under utnyttjande av den s k ASPQ- processen. Denna innefattar fiarnställning av en stålsmälta med den för stålet avsedda kemiska sammansättningen. Av smältan framställs pulver på känt sätt genom att en smältastråle gasatomiseras, dvs söndersplittras till små droppar med hjälp av strålar av inertgas, som riktas mot smältan, vilka droppar snabbkyls, så att de stelnar till pulver- partiklar under fritt fall genom inertgas. Efter siktning fylls pulvret i kapslar som kall- kompakteras och därefter utsätts för varmisostatisk kompaktering, s k HIP-ning, vid hög temperatur och högt tryck till full täthet. Typiskt utförs HIP-ningen vid ett isostatiskt tryck av 900-1100 bar och en temperatur av 1000-1180°C, företrädesvis 1140-l 160°C.

Beträffande halterna av de olika legeringskomponentema i stålet gäller följande.

Vanadin skall förekomma i en halt av minst 1.2 och max 1.8 % för att tillsammans med kol bilda 1.5-2.5 vol-% MC-karbider i stålet. Genom den pulvermetallurgiska tillverk- ningsprocessen skapas förutsättningar för att dessa karbider får formen av små, väsent- ligen jänmstora inneslutningar med typiskt rund eller avrundad form och med jämn fördelning i grundmassan. MC-karbidemas maximala storlek, räknat i inneslutningarnas längsta utsträckning, är 2.0 pm. Mer bestämt består minst 90% av den totala karbid- volymen av MC-karbider med en maximal storlek av 1.5 pm och mer bestämt har dessa karbider en storlek som är större än 0.5 men mindre än 1.5 pm. MC-karbiderna kan även innehålla en mindre mängd niob. Företrädesvis är emellertid inte stålet avsiktligt legerat med niob, i vilket fall inslaget av niob-karbid i MC-karbidema kan försummas. Förutom kol kan även en mindre mängd kväve förena sig med vanadin till att bilda de hårda inneslutningar vilka här benämns MC-karbider. Kvävehalten i stålet är dock så liten att inslaget av kväve i inneslutningarna inte motiverar benämningen vanadinkarbonitrider utan kan försummas. Företrädesvis uppgår vanadinhalten till 1.3-l .7 %. Den norninella vanadinhalten i stålet är 1.5 %.

Kol skall finnas i stålet i tillräcklig halt för att dels förena sig med vanadin för att bilda MC-karbider i ovannämnda halt, dels föreligga löst i stålets grundmassa i en halt av 0.4- 0.5 %. Den totala halten kol i stålet skall därför uppgå till 0.55-0.65 %, företrädesvis till 057-063 %. Den nominella kolhalten är 0.60 %. 10 15 20 25 30 35 512 970.' Kisel skall finnas i stålet i en minsta-halt av 0.7 %, företrädesvis minst 085%, för att bidra till stålets vamihårdhet och anlöpningsmotstånd vid användning. Halten kisel får dock inte överstiga 1.5 %, företrädesvis max 1.2.

Mangan är inte något kritiskt element i stålet enligt uppfinningen men finns i en halt mellan 0.2 och 1.0 %, företrädesvis i en halt mellan 0.2 och 0.5 %.

Efier härdning och anlöpning innehåller stålet enligt uppfinningen inga noterbara halter av kromkarbid, t ex M7C3- eller MßCó-karbider, vilka normalt förekommer i varrnarbets- stål. Stålet enligt uppfinningen får därför innehålla max 5 % krom, företrädesvis max 4.5 % krom. Krom är emellertid i sig ett önskvärt element i stålet och skall finnas i en minsta halt av 3.5 %, företrädesvis minst 3.7 %, för att bidra till stålets härdbarhet och för att tillsammans med molybden, wolfram och kol ge stålets martensitiska grundmassa i härdat tillstånd snabbstålskaraktär, dvs en god kombination av hårdhet och seghet. Den nominella kromhalten är 4.0 %.

Molybden och wolfram skall båda finnas i stålet, företrädesvis i ungefär lika stora halter för att tillsammans med kol och krom ge stålets gnmdmassa dess nyss nämnda egenskaper. Wolfram och molybden bidrar dessutom till att motverka avkolning, då de är rätt balanserade relativt varandra. Molybden och wolfram skall därför vardera finnas i en halt av minst 1.5 % och max 2.5 %, företrädesvis i en halt mellan 1.7 och 2.3 %. Den norninella halten är för både molybden och wolfram 2.0 %.

Kväve tillsätts inte avsiktligt i stålet men kan förekomma i halter från 100 till 500 ppm.

Syre är en oundviklig förorening i stålet men kan på grund av stålets pulvermetallurgiska tillverkningsprocess tolereras i halter upp till 200 ppm. Övriga föroreningar, såsom svavel och fosfor, kan förekomma och tolereras i halter som är normala för varmarbetsstål och snabbstål. Detta gäller även föroreningar i form av metaller, som t ex tenn, koppar och bly, vilka inte löses i austeniten i stålets austeni- tiska tillstånd, och som utskiljes efter stelnandet, då austenitkomen bildas vid hög temperatur, varvid nämnda föroreningar fördelas över en stor yta, då austenitkom- storleken är liten, varigenom koncentrationer av dessa föroreningar motverkas, vilket gör föroreningama harrnlösa. Typiskt innehåller stålet enligt uppfinningen emellertid inte föroreningsmetaller av typ tenn, koppar och bly i halter över 0.10, 0.60 respektive 0.005 % och totalt inte mer än max 0.8 % av nämnda eller andra oönskade föroreningsmetaller. 10 15 20 25 30 35 5152 970, 4 De produkter för vilka stålet är avsett att användas kan bearbetas till åtminstone nära färdig form, vilket kan ske på konventionellt sätt, genom skärande bearbetning, t ex fräsning, borrning, svarvning, slipning etc eller genom gnistbearbetning i stålets mjuk- glödgade tillstånd. I sitt mjukglödgade tillstånd har stålet en hårdhet av max 230 HB (Brinell-hårdhet), som kan erhållas genom mjukglödgning av stålet vid 850-900°C och därefier avkylning till rumstemperatur, varvid åtminstone kylningen från mjukglödgnings- temperaturen ned till 725°C, och företrädesvis ned till åtminstone 700°C, utförs som långsam, kontrollerad svalning med en svalningshastighet av 5-20°C/h, företrädesvis med en svalningshastighet av ca 10°C/h. Från åtminstone 700°C eller lägre temperatur kan svalning till rumstemperatur ske genom fii svalning i luñ.

Efier härdning och anlöpning har stålet enligt uppfinningen en hårdhet av 50-59 HRC (Rockwell-hårdhet) och en slagseghet motsvarande en upptagen slagenergi av 150-300 Joule vid slagtest med oanvisad provstav med dimensionen 7 x 10 x 55 mm, och en struktur av anlöpt martensit innehållande nämnda, i martensiten jämnt fördelade MC- karbider, erhållbar genom härdning av produkten från en austenitiseringstemperatur mellan 950 och 1160°C, avkylning till rumstemperatur och anlöpning vid 540-580°C.

Beroende på vad det föremål som tillverkats av stålet skall användas till, dvs stålets applikationsområde, väljs en optimal hårdhet inom hårdhetsområdet 50-59 HRC. För varmarbetsapplikationer, t ex för varmarbetsvalsar, smidesverktyg och matriser och andra detaljer för extrusion av aluminium, ligger det optimala hårdhetsintervallet mellan S2 och 58 HRC med hänsyn tagen till önskvärt god slagseghet. Även för maskin- komponenter avsedda att arbeta vid rumstemperatur eller vid en temperatur upp till 500°C kan en hårdhet inom nämnda intervall vara optimal, ehuru även hårdheter ned till 50 HRC kan vara acceptabla för denna typ av produkter. Stålet enligt uppfinningen kan emellertid även användas för kallarbetsverktyg och slitdelar, varvid en optimal hårdhet kan vara 56-59 HRC eventuellt på bekostnad av en viss minskning av slagsegheten vid hårdheter upp mot 59 HRC. Önskad hårdhet inom de nämnda intervallen uppnås genom val av austenitiseringstemperatur inom intervallet 950-l 160°C enligt principen ”ju högre austenitiseringstemperatur, desto högre hårdhet” och vice versa.

Ytterligare kännetecken och aspekter på uppfinningen framgår av patentkraven och av följ ande redogörelse för utförda försök.

KORT FIGURBESKRIVNING I följande redogörelse för utförda försök kommer att hänvisas till bifogade ritningsfigurer, av vilka 20 25 512' 9.705-- Fig. 1 i form av diagram visar slagsegheten som funktion av hårdheten vid rumstemperatur for ett antal undersökta stål, Fig. 2 är ett diagram som visar nötningsmotståndet i relation till hårdheten hos ett stål enligt uppfinningen och hosett par jämforelsematerial. och Fig. 3-4 i form av diagram visar anlöpningsbeständigheten vid 550 respektive 600°C för stållegering G och H13.

BESKRIVNING Av UTFÖRDA FöRsöK Den kemiska sammansättningen i vikts-% hos de undersökta stållegeringarna och halten MC-karbider i vol-% hos de pulvermetallurgiskt fiarnställda materialen framgår av Tabell l.

Tabell l Kemisk sammansättning i vikts-% hos undersökta stållegeringar och halten MC-karbider i vol-% Legering C S1 Mn Cr Mo W V Nb O N MC-karbider ppm ppm vol-% A 0.61 0.46 0.35 3.99 1.99 1.99 1.72 0.00 n.a. 290 1.8 B 0.67 0.48 0.36 4.01 2.00 2.01 2.06 0.01 n.a. 280 2.3 C 0.72 0.48 0.36 3.99 2.00 1.99 2.04 0.00 92 290 2.5 D 0.75 0.48 0.34 3.98 2.00 2.00 2.05 0.00 89 300 2.8 E 0.48 0.49 0.33 4.00 1.98 1.98 1.04 0.00 70 260 0.7 F 0.55 0.49 0.32 4.00 2.00 2.07 1.08 0.51 67 230 1.7 G 0.60 1.00 0.32 4.02 1.99 2.06 1.51 0.01 62 350 2.3 H13 0.60 0.47 0.32 3.99 3.03 3.03 1.05 0.01 n.a.. n.a. --- AISI/MZ* 0.85 0.30 0.30 4.00 5.00 6.00 2.00 --- --- --- --- n.a.) not analyzed *) nominell sammansättning Stållegeringarna A-G tillverkades pulvermetallurgiskt enligt ASP(ASEA-STORA- Pulver)-processen på följande sätt. Ca 300 kg pulver tillverkades av var och en av legeringama genom kvävgasatoniisering av stålsmälta. Ca 175 kg av pulvret inneslöts gastätt i plåtkapsel, diameter 200 mm, längd 1 m, genom svetsning. Kapseln placerades i en hetisostatisk press, HIP, med argongas som pressmedium och utsattes för högt tryck och hög temperatur, 1000 bar respektive l150°C, under ca 1 h. Efier konsolidering av pulvret, s k HIP-ning, till en filllständigt tät stålkropp utan någon porositet fick kapsel med innehåll svalna långsamt, l0°C/h från ca 900 till ca 700°C (mjukglödgriing) for att kunna bearbetas genom sågning. Stålets kemiska sammansättning analyserades både av 10 15 20 512 970 a prov från smâltan och från material som sågats fiån kapsel (Tabell 1). I nästa steg smiddes samtliga kapslar ned till en diameter av 100 mm och vidare genom smidning och valsning i flera steg till slutdimension 9x12 mm.

Stållegering H13 var ett på konventionellt sätt tillverkat varmarbetsstål av modifierad AISI H13-typ, medan det sista stålet i tabellen var ett konventionellt snabbstål av typ AISI M2.

Av stållegeringarna A-G framställdes ett antal provstavar med dimensionerna 7 x 10 x 55 mm. Provstavama härdades genom uppvärmning vid sex olika temperaturer, nämligen mellan 9S0°C och 1 180°C, genomvärrnning vid nämnda temperaturer, avkylning till rumstemperatur och anlöpning 3 x 1 h vid 560°C. Hårdheten och slagsegheten hos det oanvisade provstavarna uppmättes därefter vid rumstemperatur. Resultaten redovisas i Tabell 2 och 3 samti diagrammet i Fig. 1.

Tabell 2 Hårdhet (HRC) efter härdning från 950 till ll80°C och anlöpnin 3 x 1 h vid 560°C for le erin arna A-G Härdnings- A B C D E F G temperatur 950 50.7 51 51.6 51.8 51.1 50.7 51 1000 52.3 52.6 53.2 53.2 52.4 52.9 52.3 1050 54.7 54.6 55 55.5 54.6 55.2 54 1100 56.5 56.7 57 57.4 57.3 58.6 56.5 1150. 59 59 59.6 59.5 58.6 60.8 58.3 1180 59.4 60 61 61.1 59.8 61.5 59.5 Tabell 3 Slagiseghet (Joule) efter härdning från 950 till ll80°C och anlöpnin 3 x 1 h vid 560°C fór le erin arna A-G Härdnings- A B C D E F G temperatur 950 285 282 274 266 289 275 260 1000 285 294 278 248 294 269 272 1050 290 294 294 284 294 289 283 1 100 287 283 264 251 294 278 285 1150 167 179 164 156 92 142 258 1180 169 91 95 93 38 30 204 10 15 20 25 512 9.70 .~ 7 Av Tabell 2 och 3 samt Fig. 1 framgår att för stållegering G noterades en god slagseghet inom ett stort hårdhetsintervall och i syrmerhet inom det hårdhetsintervall som är särskilt intressant, i synnerhet för varmarbetsapplikationer och till viss del även för kallarbets- verktyg och för slitdetaljer, nämligen hårdhetsintervallen 52-58 HRC resp 56-59 HRC.

Stållegering F hade visserligen ännu bättre kombination av hårdhet och slagseghet inom ett brett hårdhetsintervall, men detta stål innehåller å andra sidan endast 1.7 vol-% MC- karbider, vilket är alltför litet for att ge önskat nötningsmotstånd.

För samma stållegeringar uppmättes även hårdhet och slagseghet efter härdning från tre olika temperaturer mellan 1000 och 1100°C och anlöpning 3 x 1 h vid 540°C. Resultaten från dessa kompletterande mätningar återfinris i Tabell 4 och 5 och bekräftar tendensema från den värmebehandling som innefattade anlöpning vid något högre temperatur.

Tabell 4 Hårdhet (HRC) efter härdning från 1000 till 1100°C och anlöpnin 3 x I h vid 540°C fór legeringama A-G Härdnings- A B C D E F G temperatur 1000 52.9 53.9 53.6 54.1 53 53.5 53 1050 55.1 55.3 55.9 56.4 55 56.4 55.4 1100 57.9 57.9 58.5 59.1 58.1 59.8 57.7 Tabell 5 Slagseghet (Joule) efter härdning från 1000 till 1100°C och anlöpnin 3 x l h vid 540°C förkggrin ama A-G Härdnings- A B C D E F G temperatur 1000 289 294 287 281 294 287 263 1050 291 284 280 273 288 289 264 1100 291 269 249 253 294 252 287 ' Nötningsmotståndet uppmättes för järnförelsematerialen H13 och AISI M2 och järnfordes med nötningsmotståndet hos det stål enligt uppfinningen, stållegering G, som härdats från en temperatur av ll50°C och som efier anlöpning 3 x 1 h vid 560°C erhållit en hårdhet av 58 HRC. Nötningsmotståndsmätningama utfördes i pin-on-disc (pinne-på- skiva) test med torrt SiOz-papper typ 00, med glidhastighet 0.3 m/s, last 9 N, prov- dimension 3 x 5 x 30 mm. Som framgår av diagrammet i Fig. 2 hade det uppfinnings- enliga materialet, legering G, ett väsentligt bättre nötningsmotstånd än det kända l lll 5 10 512 9-70 _- 8 varmarbetsstålet H13. Högst nötningismotstånd noterades for AISI M2, men skillnaden jämfört med legering G är anmärkningsvärt liten med hänsyn till den väsentligt högre halten av kvalificerade legeringselement i snabbstålet AISI M2.

Vidare studerades anlöpningsbeständigheten, dvs hårdhetens beroende av temperatur och tid, for legeringarna G och H13. Testema utfördes vid 550 och 600°C under l-l00 h.

Resultaten framgår av diagrammen i Fig. 3 och 4, vilka visar att hårdheten for legering G sjunker långsammare än for legering H13 med tiden.

Vid ljusmikroskopiska undersökningar av legering G kunde icke noteras några andra karbider än MC-karbider och ingen MC-karbid större än 2.0 nm. Av de karbider som kunde iakttas vid den ljusmikroskopiska undersökningen bedömdes minst 90 vol-% ha en storlek större än 0.5 men mindre än 1.5 um.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 512 970 .- 9 PATENTKRAV

1. Stål med högt nötningsmotstånd, hög hårdhet och god slagseghet, användbart för framställning av produkter vid vilkas användning åtminstone några av nämnda egen- skaper är önskvärda, företrädesvis för framställning av verktyg avsedda att användas vid temperaturer upp till åtminstone 500°C, k ä n e t e c k n at av att stålet är framställt pulvermetallurgiskt, att det i vikts-% väsentligen består av 0.55-0.65 C 0.7 -1.5 Si 0.1 -1.0 Mn 3.5 -4.5 Cr 1.5 -2.5 M0 1.5 -2.5 W 1.2 -1.8 V 0 -0.2 Nb rest jäm och föroreningar i normala halter, och att stålet efier härdning och anlöpning innehåller 1.5-2.5 vol-% avi stålets gmndmassa jämnt fördelade MC-karbider, där M utgörs av väsentligen endast vanadin.

2. Stål enligt krav 1, k ä n n et e c k n at av att nämnda MC-karbider har väsentligen rund eller avrundad förrn med en största utsträckning av 2.0 um, företrädesvis max 1.5 um.

3. Stål enligt krav 2, k ä n n e t e c k n at av att åtminstone 90 vol-% av nämnda MC- karbider har en storlek större än 0.5 pm men mindre än 1.5 um.

4. Stål enligt något av kraven 1-3, med en kemisk sammansättning som uppfyller ett, flera eller samtliga av följande kännetecken, nämligen att stålet, i vikts-%, innehåller 0.57 - 0.63 C I - 0.85 - 1.2 Si ”- 0.2 -0.5 Mn "- 3.7 -4.3 Cr ”- 1.7 -2.3 Mo ”- 1.7 - 2.3 W och/eller ”- 1.3 - 1.7 V 10 15 20 25 30 35 0 51-2 270 l

5. Stål enligt krav 4, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller niob i högst föroreningshalt, dvs max 0.05 vikts-%.

6. Användning av ett stål som är framställt pulverrnetallurgiskt och som i vikts-% väsentligen består av 0.55 - 0.65 C 0.7 - 1.5 Si 0.1 - 1.0 Mn 3.5 - 4.5 Cr 1.5 - 2.5 Mo 1.5 -2.5 W 1.2 - 1.8 V 0 - 0.2 Nb rest järn och föroreningar i normala halter, och som eñer härdning och anlöpning innehåller 1.5-2.5 vol-%, i stålets grundmassa jämnt fördelade MC-karbider, där M utgörs av väsentligen endast vanadin, för fiarnställning av den typ av produkter som innefattar verktyg och maskin- komponenter och som är avsedd att användas vid temperaturer upp till 500°C.

7. Användning enligt krav 6, för framställning av nämnda produkter, som efter bearbet- ning i stålets mjukglödgade tillstånd till åtminstone nära fardig form och hârdning har en hårdhet av 50-59 HRC (Rockwell C-hårdhet) och en slagseghet motsvarande en upp- tagen slagenergi av 150-300 J oule vid slagtest med oanvisad provstav med dimensionen 7 x 10 x 55 mm och en struktur av anlöpt martensit innehållande nämnda, i martensit jämnt fördelade MC-karbider, erhållbar genom härdning av produkten från austenitise- ringstemperaturer mellan 950 och 1l60°C, avkylning till rumstemperatur och anlöpning vid 540-580°C.

8. Användning enligt krav 6, för framställning av nämnda produkter av nämnda stål genom bearbetning i stålets mjukglödgade tillstånd, i vilket stålet har en hårdhet av max 230 HB (Brinell-hårdhet), vilket tillstånd är erhållbart genom mjukglödgning av stålet vid 850-900°C och därefter avkylning till rumstemperatur, varvid åtminstone kylningen från rnjukglödgiiingstemperaturen ned till 725°C utförs som långsam, kontrollerad svalning med en svalningshastighet av 5-20°C/h, företrädesvis max l0°C/h. 10 15 20 25 30 512 970. ll

9. Användning enligt något av kraven 6-8, varvid nämnda MC-karbider har en största utsträckning av max 2.0 pm, företrädesvis max 1.5 um, varvid åtminstone 90 vol-% av MC-karbidema har en storlek som är större än 0.5 pm men mindre än 1.5 pm.

10. Sätt att tillverka ett stål med högt nötningsmotstånd, hög hårdhet och god slag- seghet, användbart för framställning av produkter vid vilkas användning åtminstone några av nämnda egenskaper är önskvärda, företrädesvis för framställning av verktyg avsedda att användas vid temperaturer upp till åtminstone 500°C, k ä n n e t e c k n at av att man framställer en stålsmälta, som i vikts-% väsentligen består av 0.55 - 0.65 C 0.7 -1.5 Si 0.1 - 1.0 Mn 3.5 -4.5 Cr 1.5 - 2.5 Mo 1.5 -2.5 W 1.2 - 1.8 V 0 - 0.2 Nb rest järn och föroreningar i normala halter, att stålsmältan desintegreras till små droppar genom gasatorrlisering, vilka droppar avkyls till att bilda pulverkom, att pulvret innesluts gastätt i plåtkapsel och konsolideras till en fullständigt tät stålkropp genom hetisostatisk pressning.

11. Sätt att framställa en produkt av ett stål tillverkat enligt krav 10, k ä n n e t e c k n at av att den hetisostatiskt pressade kroppen varrnbearbetas genom smidning och/eller varmvalsning, att stålet mjukglödgas vid 850-900°C och avkyls till rumstemperatur under kontrollerad svalning till en hårdhet av max 230 HB (Brinell-hårdhet), att stålet därefier bearbetas i sitt mjukglödgade tillstånd till åtminstone nära färdig form samt härdas från en temperatur mellan 950 och 1160°C, avkyls till rumstemperatur och anlöps vid 540- 580°, genom vilken värmebehandling stålet bringas att innehålla 1-5-2.5 vol-% avi stålets grundmassa jämnt fördelade MC-karbider, där M utgörs av väsentligen endast vanadin.

12. Produkt, k ä n n et e c k n a d av att den är tillverkad enligt krav 1 1.