SE514410C2

SE514410C2 - Pulvermetallurgiskt framställt stål

Info

Publication number: SE514410C2
Application number: SE9902262A
Authority: SE
Inventors: Leif Westin; Odd Sandberg
Original assignee: Erasteel Kloster Ab; Uddeholm Tooling Ab
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2001-02-19
Also published as: SE9902262D0; US6818040B1; CA2376529C; DK1200637T3; KR100693666B1; EP1200637A1; DE60019758T2; EP1200637B1; KR20020012609A; JP2003519283A; CN1143902C; TW464566B; WO2000079015A1; JP5045972B2; ATE294254T1; SE9902262L; DE60019758D1; AU5860900A; CN1355855A; CA2376529A1

Description

25 30 .~,íÉÉ;ëtà4¿É%4;¿1;tIpa Ovan nämnda och andra, på marknaden fórkommande stål fyller högt ställda krav på abrasiv nötningsbeständighet, seghet och andra egenskaper. De uppfyller emellertid inte mycket högt ställda krav på adhesivt nötningsmotstånd, som ofta är ett dominerande problem vid olika typer av kallformande verktygsapplikationer, som plåtpressning, rörbockning och kallﬂytpressning. I synnerhet kan dessa problem uppstå vid kallbearbetning av plåt av austenitiska och fenitiska rostfria stål, koppar, mässing, aluminium mm. Dessa problem kan minskas genom Smörjning och/eller ytbeläggning av verktygsytoma med ﬁiktionsnedsättande keramiska skikt av Lex. TiN genom PVD- eller -CVD teknik, genom ytnitrering eller genom beläggning med hårdkrom, men detta är dyra och tidsödande lösningar. Dessutom är risken för skador på och/eller avﬂagning av skikten stor. Uppstår nötningsskador, abrasiva eller adhesiva, blir reparationsarbetet komplicerat då en skada alltid ﬁnns på en mycket påkänd del av verktyget.

KORT REDoGöRELsE FÖR UPPFmNmGEN Ändamålet med uppfinningen är att erbjuda ett snabbstål för kallarbetsverktyg med mycket högt adhesivt nötningsmotstånd i förening med andra önskvärda egenskaper hos kallarbetsverktyg, såsom adekvat seghet, hårdhet och abrasivt nötningsmotstånd. Stålet skall efter pressning av pulvret till en konsoliderad kropp genom hetisostatisk kompakteñng (HIP-ning) kunna varmbearbetas genom smidning, valsning och extrusion eller användas i HIP-at tillstånd.

Dessa och andra syften kan uppnås därigenom att snabbstålet med avseende på dess kemiska sammansättning innehåller i vikts-% 1-2.5 C 1-3.5 N 0.05-1.7 Mn 0.05-1.2 Si 3-6 Cr 2-5 Mo 0.5-5 W 6.2-17 (V + 2Nb) rest järn och oundvikliga föroreningar i normala halter P1407 10 15 20 . . f oc. < t _ . .c - “f f- z- «< t» “ . .n <» - ä _. - _. ~ . f, < . .. 1 'f ' : ' I H :m- . 0 . _- . /_- _ ~> . än, 4 ._ (_ ._ . ._ ._ ._ ._ _ .w z ._ *_ _ X _ -. , . z' _ ~ .wa »e 'f <1- ”f f' . . l i e f f - " ' _* ' ' “j .f .. . f. <.. u- -« -~ Pl407 varvid halterna å ena sidan kolekvivalenten, Ceq, uttryckt som Ceq = C + ä N , och å andra sidan vanadinekvivalenten, Veq, uttryckt som Veq = V + 2Nb ska vara så avstämda relativt varandra att haltema av nämnda ämnen, uttryckta som nämnda ekvivalenter, kommer att ligga inom arean Al-Bl-Cl-Dl-Al i koordinatsystemet i Fig. l, där Ceq/Veq- koordinaterna för punkterna A1-Dl är: A1: 4.5/17 Bl: 5.5/17 CI: 2.5/6.2 Dl: 1.5/6.2 och att snabbstålet med avseende på stålets struktur, i härdat och anlöpt tillstånd, innehåller 12-40 vol-% hårdämnen avi stålets matrix jämnt fördelade partiklar av MX- typ, varvid M i nämnda hårdämnen av MX-typ väsentligen utgörs av vanadin och/eller niob och X består av 30 - 50 vikts-% kol och 50 - 70 vikts-% kväve. I I det följande kommer att deﬁnieras ett antal mer begränsade områden, vilka deﬁnierar olika trtfórandeformer och varianter på uppﬁnningen med avseende på relationema mellan kolekvivalent och vanadinekvivalent. I nedanstående lista anges Ceq/V eq- koordinatema för samtliga de punkter som har markerats i diagrammet i Fig. 1.

I denna text avses vikts-%, då ej annat anges. - , i \ Fc .-;-= -_ , . < r .u f rf- (~' _* _ , . “ i ...- . :-~ ; - . I» . a f.- e: - g* .ff v ' "“ w »V 'c ' ^' _ r w < I: <1 I f' “ '4 ,_“ (_: -. f r __ - v z » u: ;«:~( -v¿. ”_ * _ , ,. f < l “4 (_ _ f» H » Ceq/Veq- koordinater för markerade punkter i Fig. 1 Pl407 'B2:5.3/l7 A1=4.5/17 A2;4.6/17 A3:4.7s/17 B1:5.5/17 A1*=4.35/16.s A2æ4.4s/16.s A3'=4.6/16.s B2'=5.15/16.s 1312535/165 A1”=4.2/16 A2”;4.3/16 A3”;4.5/16 B2”;5.0/16 B1”;5.2/16 F1”;3.s/14.s F2”=3.9/14.s F3”=4.os/14.s E2";4.6/14.s E1”=4.s/14.5 F1*;3.65/14 F2*;3.75/14 F3'=3.9/14 E2';4.45/14 E1,;4.6s/14 F1=3.ss/13.s F2=3.6s/13.s v F3=s.s/13.s Ez=4.3s/13.s E1;4.ss/13.s F1'”;3.25/12.5 F2'”=3.35/12.5 F3”°=3.s/12.5 E2”°:4.o5/12.5 E1”':4.25/12.5 F1'V;3.1/12 Fzlvßz/iz F3fV;3.35/12 1321239112 E1“'=4.1/12 G1”=2.7/1o.s G2”;2.s/1o.5 G31V=2.9s/1o.s mW=3.s/1o.s H11V=3.7/1o.5 G1°=*=2.55/1o G2”';2.6s/1o G3'”=2.s/1o Hzmßßs/io H1°”;3.ss/1o G1;2.4/9.5 G2;2.5/9.s G3;2.6s/9.5 H2;3.2/9.s H1;3.4/9.5 (312227/9 Gzwzßv/Q 632252/9 H2*=3.o7/9 111232779 G1”;2.1s/s.6 G2”;2.2s/s.6 G3”:2.4/s.6 H2”=2.9s/s.6 H1”:3.1s/s.6 D1=*;1.ss/7.4 D2”=1.9s/7.4 D3”=2.1o/7.4 c2:2.6s/7.4 c1”=2.ss/7.4 1312115/7 D2*;1.ss/7 D3,;2.o/7 czæzss/v c1';2.75/7 Durs/6.2 D2=1.6/6.2 Dianas/6.2 0223/62 enas/6.2 Ett antal föredragna eller tänkbara utföringsformer av uppﬁnningen med avseende på relationen mellan kol- och vanadinekvivalenterna i stålet inom hela det angivna intervallet Veq = 6.2 - l7 (V + 2 Nb) anges i underkraven 2 -5.

I det följ ande ska valet av de olika legeringselementen och halterna av dessa förklaras närmare.

Kol har två viktiga funktioner i stålet enligt uppﬁnningen. Dels skall det tillsammans med kväve samt vanadin och/eller niob bilda vanadin- och/eller niobkarbonitrider, dels skall kol ﬁnnas i tillräcklig mängd i stålets grundrnassa för att ge den eﬁer härdning och anlöpning erhållna martensiten önskvärd hårdhet. Mer bestämt bör halten av i 10 15 20 25 30 Å . -f ,. , r (C »--:. . _ '..< ff* ' Q ' 'g- , rﬁf < f - v. v. ._ , .c r< « ' 1 _ .;,_ z - > '- .. 13: . - n - _» . . <- «. r c r ~ ' K^'°_ , _ ^ ff: --.: -~ -'§"~ i' f° . 2 .I H i Äf .f f» -« -H f! P1407 grundmassan inlöst kol uppgå till 0.40-O.60% företrädesvis till 0.47-0.54% Av dessa skäl skall kol ﬁnnas i en minsta halt av 1 vikts-% och max. 2.5 vikts-%.

I nämnda hårdämnen av MX-typ, dvs. vanadin och/eller niobkarbonitrider skall X bestå av 30-50 vikts-% kol och 50-70 vikts-% kväve, dvs. förhållandet vikts-% N/vikts-% C för den mängd kväve och kol som ingår i nämnda karbonitrider av MX-typ skall uppfylla villkoren. 5 5 23 _ vík1s-%C 1.0 Den mängd kväve som existerar i stålet i dess smälta tillstånd före gas granulering jämte den mängd kväve som införlivas i stålet genom nitrering av det gasgranulerade stålpulvret, vilken utgör den helt övervägande delen, förenar sig väsentligen med vanadin och/eller niob till att bilda nämnda karbonitrider. Den kvävemängd som blir kvar i stålets grundmassa och/eller som eventuellt bildar nitrider med andra förekommande element skall vara närmast försumbar i förhållande till mängden kväve i nämnda karbonitrider. För att bilda de önskade karbonítridema av MX-typ skall mängden kväve därför uppgå till minst 1 vikts-% och max. 3.5 vikts-%.

Kisel förekommer i en halt av minst 0.05, företrädesvis minst 0.1%.Som restprodukt från desoxidation av stålsmältan och kan tolereras i halter upp till l.7%, företrädesvis max. l.2% normalt max. 0.7%.

Mangan förekommer i en minsta halt av 0.05 %, företrädesvis minst 0.l%. I första hand som en restprodukt från den smältmetallurgiska processtekniken, där mangan har betydelse för att på känt sätt oskadliggöra svavelföreningar genom att bilda mangansulﬁder. Den maximalt tolererade manganhalten är l.7%, företrädesvis max. l.0%, normalt max. 0.5%. 10 15 20 25 30 _» . -< -- - > w; - > - c. . . .h _ _ « \ *' ~= _ f c, f» . r' . ~ _ ._ k» .cc ...q .a _.. _ _ _ . f. . _ 6 c z »f m Krom ska förekomma i stålet i halt av lägst 3%, företrädesvis minst 3.5%, för att medverka till att stålets grundmassa - dess matrix - får tillräcklig härdbarhet. För mycket krom medför dock risk för svåromvandlad restaustenit samt bildning av M7C3- karbider som är mindre önskvärda. Kromhalten begränsas därför till max. 6%, företrädesvis ,max. 5%, helst max. 4.5 %.

Molybden och Wolfram skall förekomma i stålet för att åstadkomma sektmdärhårdnande under anlöpning samt ge ett härdhetstillskott. Gränsema väljs för att genom anpassning till övriga legeringselement ge dels optimal hårdhet efter härdning och anlöpning, dels ge en mindre mängd hårda M6C-partiklar. Molybden bör förekomma i en lägsta halt av 2%, företrädesvis minst 2.5% och lämpligen minst 3.0%. Wolfram bör ﬁnnas i en lägsta halt av 0.5 % företrädesvis i en halt av minst 2.0% och lämpligen minst 2.5% och allra helst minst 3.0%. Molybden och wolframhalterna bör vardera inte överstiga 5%, företrädesvis inte överstiga 4.0%. För molybden och wolfram bör vidare gälla att Moeq = Mo + -É ligger inom intervallet 2.25-7.5%, företrädesvis inom intervallet 4-6%.

I halten av MóC-karbider, där M huvudsakligen utgörs av molybden och wolfram, bör totalt uppgå till 3.5 vol-% eller till l0-30% av totala volymhalten av (MX+M6C)-fas.

Vanadin skall ﬁnnas i stålet i en lägsta halt av Q/gf/o och max. 17% för att med kol och kväve bilda mycket hårda vanadinkarbonitrider, dvs. hårdämnen av MX-typ, där M väsentligen utgörs av vanadin och X utgörs av kol och kväve i de viktsförhållanden som nämnts i det föregående. Eventuellt kan v eller delvis ersättas av niob. Den maximalt tillåtna niobhalten är l.0%, företrädesvis max O.5%. Lämpligen innehåller dock stålet inget avsiktligt tillsatt niob, eftersom det kan göra skrothanteringen i ett stålverk mer komplicerad men framför allt för att niob kan orsaka sämre seghet hos stålet pga. en mer ogynnsam, kantigare karbidstruktur än en mer utpräglad vanadinkarbonitrid av MX-typ. Ändamålet med uppﬁmiingen är som nämnts i inledningen i första hand att erbjuda ett nytt snabbstål ägnat för kallarbetsverktyg. Då kallarbetsstål ska kunna användas vid P1407 ' 10 15 20 25 30 _.. . a., . f. w \ ' -\ ' f' f; .f '.~" i . _ i “f_- .s r -- - - * _ n: '_ **. »f ~ -. _ . _ _ .- < -«c- - -<\' * “ »4_«,_\-4 » r q: ._ f ' ' ' " ' ^ '""" ^ i <~ - ' f '. i<<~° = I _ _ ,, . . « Pl407 rumstemperatur, bör stålet lämpligen inte innehålla kobolt som är dyrt och kan göra stålet mindre segt. Enligt en tänkbar aspekt på uppﬁnningen skulle stålet emellertid även kunna användas för höga arbetstemperaturer, i vilket fall kobolt skulle kunna ingå i halter upp till max. 20%, företrädesvis max. 12% För det företrädesvis avsedda användningsområdet - kallarbetsverktyg - bör stålet emellertid icke innehålla kobolt mer än i de föroreningshalter som normalt förekommer som restelement ﬁ^ån ingående råvaror i stålverk som tillverkar snabbstål, dvs. max 1% kobolt, företrädesvis max. 0.5% kobolt.

Enligt en första variant på uppﬁnningen skall vanadinhalten vara 6.2-9.5%. Detta innebär enligt den vidaste aspekten på denna variant att koordinaterna för kol- och vanadinekvivalenterna skall ligga inom arean Gl-H1-Cl-Dl-Gl i koordinatsystemet i Fig. 1.

Begränsande aspekter på denna första variant anges i de efterföljande kraven 7 - 12.

Inom ramen för den mest begränsade aspekten på denna första variant ligger ett stål med följande föredragna, nominella sammansättning: 1.3 C, 1.4 N, (Ceq ca 2.5) 0.5 Si, 0.3 i Mn, 4.2 Cr, 3.0 Mo, 4.0 W, 8.0 V, rest järn och normalt förekommande föroreningar.

Ett sådant stål kan användas för de ﬂesta av de nämnda användningsområden för vilka stålet är avsett.

Enligt en andra variant på uppﬁnningen skall stålet innehålla 13.5 - 17 (V + 2 Nb).

Detta innebär enligt den vidaste aspekten på denna variant att koordinatema för kol - och vanadinekvivalenterna skall ligga inom arean Al-B 1-El-Fl-Al i koordinatsystemet i Fig. l. Begränsande aspekter på denna andra variant anges i de eﬁerföljande kraven 14 - 19. Inom ramen för den mest snäva, föredragna sammansättningen enligt denna andra aspekt ligger ett stål med följ ande föredragna, nominella sammansättning: 2.0 C, 3.0 N, (Ceq ca 4.6), 0.5 Si, 0.3 Mn, 4.2 Cr, 3.0 Mo, 4.0 W, 15.0 V, restjäm och normalt förekommande föroreningar. Ett stål med denna sammansättning är speciellt ägnat att användas för tillverkning av verktyg utsatta för speciellt kraftig adhesiv nötning och skiljer sig från föregående föredragna sammansättning genom högre halter av vanadin, kol och kväve, resulterande i en ca. dubbelt så hög andel MX-fas. 10 15 A 20 25 30 P1407 Enligt en tredje variant på uppﬁnningen skall stålet innehålla 9.5 - 13.5 (V + 2 Nb), varvid koeﬁcientema för halterna av kol och vanadin ekvivalentema ligger inom arean Fl-El-H1-Gl-F 1. Begränsande aspekter på denna tredje variant anges i de efterföljande kraven 21 - 26. Inom ramen för den mest snäva, föredragna sammansättningen enligt denna tredje variant ligger ett stål med följande föredragna, nominella sammansättning: 1.5 C, 2.0 N (Ceq ca 3.2), 0.5 Si, 0.3 Mn, 4.2 Cr, 3.0 Mo, 4.0 W, 11.0 V, restjäm och normalt förekommande föroreningar. Ett sådant stål ger bättre varmbearbetbarhet än det högt legerade enligt nämnda andra variant och samtidigt en bättre slitstyrka än det lägre le gerade stålet enligt nämnda första variant.

Stålets tekniska egenskaper kan beskrivas enligt följ ande: stålet utgörs av ett pulvermetallurgiskt framställt snabbstål, vars legeringssammansätníng ﬁämst utrnärks av en hög vanadinhalt. I leveranstillstånd har stålet en huvudsakligen ferritisk grundmassa som innehåller en betydande mängd karbonitrid, främst vanadinkarbonitrid. Dessa är ﬁnkorniga och jämt fördelade i stålet. efter upplösningsbehandling i temperaturornrådet 1000-1 l80°C, företrädesvis inom området 1050-1 150°C och svalning till rumstemperatur har stålets matrix en övervägande martensitisk struktur men med en hög restaustenithalt. En del av karbonitriderna och av karbidema som också förekommer i stålet, är upplösta, men 15-30 vol-% ﬁnkomiga jämt fördelade vanadinkarbonitrider ﬁnns kvar i stålet. genom anlöpning till en temperatur inom temperaturintervallet 500-600°C ökas hårdheten till 58-66 HRC (hårdheten inom detta intervall beror på austenitiseringstemperatliren), genom att restausteniten väsentligen har eliminerats och omvandlats till martensit och genom sekundär utskiljning av främst vanadinkarbonitrider. genom ﬁämst den stora mängden vanadinkarbonitrider får det härdade och anlöpta stålet en mycket stor slitstyrka vid rumstemperatur, och genom 10 15 20 25 30 ;..4rt .0ts i * P1407 legeringskombinationen får stålet i övrigt en adekvat kombination av hårdhet och seghet för den typ av kallarbetsverktyg som nämnts i inledningen till denna text.

Snabbstålet enligt uppﬁnningen kan tillverkas på följ ande sätt. En smälta bereds på konventionellt smältmetallurgiskt sätt, varvid smältan får en maximal kvävehalt som icke överstiger den maximala halt kväve som kan inlösas i smält stål, medan övriga legeringsämnen regleras till den halter som anges i laav 1 eller till någon av de specificerade halter som anges i underlcraven. Av denna smälta bildas ett metallpulver, vilket kan ske på känt sätt genom granulering av en smältastråle med hjälp av gasstrålar av kväve och/eller argon, t.ex. enligt den teknik som utgör en inledande del av den sk.

ASP-processen (Asea Stora Process). Pulvret siktas till lämplig pulverstorlek, tex. max 250 um. En del av pulvret kvävelegeras genom fastfasnitreñng med hjälp av en kvävebärande gas, t.ex. kväve och/eller ammoniakgas enligt någon teknik som också kan vara känd. Bland användbara, kända tekniker kan exempelvis nämnas den teknik som beskrivs i SE-C-462 837 eller genom den teknik som beskrivs i MPR July, 1986 P 527-530. Företrädesvis används en gasblandning av ammoniak och vätgas som får ﬂöda genom en varm pulverbädd i en roterande reaktor vid 550 - 600°C. Vid denna temperatur reagerar ammoniaken vid stålpulvrets yta enligt reaktionen 2NH3 -> 3H2 + 2N (stål). Löst kväve diffunderar därefter in i pulverkornen från ytan. Vid utloppet från reaktorn består gasen av en blandning av kväve, väte och en mindre mängd restarnmoniak. Metoden medger att nitrerat material kan framställas med mycket noggrann kontroll av kväveinnehållet. På detta eller på armat sätt kvävelegerat pulver blandas med pulver som icke är kvävelegerat men som för övrigt företrädesvis har samma sammansättning som det kvävelegerade pulvret, så att blandningen får önskad medelkvävehalt enligt uppﬁnningen. Denna blandning satsas i plåtkapslar som försluts och hetisostatkompakteras enligt känd teknik, företrädesvis enligt den teknik som nämnts i det föregående och som är känd under namnet ASP (Asea Stora Process), så att man får en konsoliderad kropp av kvävelegerat snabbstål enligt uppﬁnningen. Denna kropp kan däreñer varmbearbetas genom valsning och/eller smidning till önskad dimension. Under konsolideringsprocessen och vid den efterföljande varmbearbetningen utj ärrmas existerande skillnader i kvävehalt i ingående material, så att alla delar av kroppen får väsentligen lika hög kvävehalt. eee r n e c e P1407 KORT FIGURBESKRIVNING I ritningsﬁgurerna visar Fig 1 ett diagram som illustrerar halterna av de ämnen i stålet, vilka utgör S huvudingredienser i hårdämnen av MX-typ i snabbstålet enligt uppﬁnningen, Pig 2 ett diagram som illustrerar hårdhetens utveckling vid olika anlöpningstemperaturer vid ett par stål enligt uppﬁnningen, och 10 Fig 3 ett mikrofoto som visar mikrostrukturen hos ett stål enligt uppﬁnningen etter varmbearbetning men före härdning.

BESKRIVNING Av UTFÖRDA FöRsöK Den kemiska sammansättningen i vilcts-% hos de studerade stålen framgår av 15 nedanstående tabell 1. Förutom de i tabellen redovisade elementen innehöll stållegeringarrra endast föroreningar i halter som är normalt förekommande vid tillverlming av stål. Stållegeringarna nr 1-6 utgörs av försökslegeringar, varvid legeringarna nr 3-6 utgör exempel på stål enligt uppﬁnningen. Stållegeringania 7 och 8 är analyserade sammansättningar hos referensmaterial, närmare bestämt de 20 kommersiella stålen ASP® 2023, respektive ASP® 2053.

Tabell 1 Kemisk sammansättning i vikts-% hos studerade stål Stâllegeríng C N Si Mn Cr Mo W V Ceq Rest No. 1 0.78 0.65 0.56 0.40 3.89 4.89 6.12 3.02 1.34 Fe 2 0.42 1.04 0.41 0.31 4.05 4.95 6.39 2.93 1.31 ” ç” 3 1.28 1.34 0.49 0.32 4.37 3.08 4.12 7.84 2.43 ” Ufab j 4 1.92 2.82 0.44 0.36 4.18 3.17 4.76 15.2 4.34 ” 5 1.26 1.39 0.52 0.28 4.26 2.97 3.30 8.20 2.45 ” L 6 2.06 2.95 0.38 0.25 4.30 2.96 3.35 15.6 4.59 ” Qâﬂ 7 1.28 0.04 0.62 0.28 4.10 5.05 6.35 3.12 1.31 ” f? ﬁâ p: 8 2.45 0.05 0.53 0.31 4.17 3.08 4.25 7.94 2.49 ” 45,” 10 15 20 25 30 0¿ﬁ5t4@41o, 111 P14o7 Ceq=C -l--l-g-N . 14 Utgångsmaterialen för fórsökslegeringarna nr 1-6 ut ordes av pulver framställda genom gasatomisering (granulering) av i laboratorieskala framställda stålsmältor.

Smältoma atomiserades med kvävgas i en pulvertillverkriingsapparat i laboratorieskala till ett ﬁnt pulver som siktades så att man ﬁck en pulverfralction med pulverkomstorlekar mindre än 250 um. En del av pulvret av de olika pulverlegeringar som framställdes, nitrerades satsvis med en blandning av ammoniak och kvävgas i en pulveriserad bädd i en reaktor, som genomströmmades av nitreringsgasen.

Temperaturen i reaktom var ca 570°C. Vid nämnda temperatur reagerade arnmoniaken vid transporten genom bädden, så att man erhöll en blandning av ammoniak, kväve och vätgas, som strömmade genom pulverbädden. Vid dessa förhållanden var kväveaktiviten mycket hög och kvävets upptagning i stålpulvret mycket god.

Därefter blandades de kvävelegerade pulvren med motsvarande stålpulver, som inte legerats med kväve, för att skapa pulverblandníngar med varierande kvävehalt. Dessa pulverblandningar satsades därefter i kapslar och kompakterades hetisostatiskt vid 1 150 °C och ett tryck av 1000 bar till att bilda konsoliderade kroppar av kvävelegerade snabbstålslegeringar.

Efter HIP-ning (hetisostatisk pressning) hade ämnena dimensionerna ø ca 130 mm och längden ca 600 mm. Materialen smiddes, varefter de mjukglödgades, härdades och anlöptes. Därefter analyserades materialen med avseende på kemisk sammansättning, som redovisats i tabell l ovan.

Vid inledande studier konstaterades att stålen No 1 och 2 inte erhöll önskade egenskaper, varför de inte studerades mer ingående. De inledande studierna visade däremot lovvärda resultat fór de uppﬁnningsenliga stålen No 3-6. Av dessa studerades materialen ﬁamställda av stållegeríngarna No 5 och 6 närmare och genomgick mekanisk provning, nötningsprovning, oanvisad slagprovning och metallograﬁska stukturstudier. Även referensmaterialen framställda av stållegeringarna No 7 och 8 utsattes för närnnda materialtester. 10 ~,r s-tt4 ,eíl«~41e a s » nl" g Resultaten av smidesprovning framgår av tabell 2.

Tabell 2 Resultat av smidesprovning. Ursprunglig diameter ca ø 130 mm Material Steg 1: Smiddes till Steg 2: Smiddes till Anmärkning Stål No 5 ø = 60mm 30 x30 mm Smídbari båda stegen Stål No 6 ø = 55 mm 60 x65 x15 mm Smídbari stegl.

Svårsmidd i steg 2.

Stål No5 var smidbart utan några problem, medan stål No 6, som var väsentligt högre legerat uppvisade betydligt sänkt smidbarhet. I andra steget sprack materialet och föll delvis sönder i bitar. Anledningen härtill kan vara materialets höga andel hårdfas av MX-typ, ca en tredjedel av materialvolymen.

Därefter undersöktes austenitiseringstemperatlirens inverkan på hårdheten för stål No 5 och No 6 med och utan djupkylning. Följ ande resultat erhölls.

Tabell 3 Hårdhet, HRC, hos undersökta stål efter härdning Material Austenitiseringsbehandling 1000°C/30 min 1050°C/30 min 1100°C/15 min 1150°C/10 min Stål No 5 65,5 66,0 66,9 66,5 Härdad, luﬁkyld Stål No 5 65,9 66,5 66,9 67,1 Härdad, djupkyld Stål No 6 67,7 66,5 62,4 60,0 Härdad, luﬁkyld Stål No 6 69,8 69,7 69,2 68,5 Härdad, djuplcyld 10 15 20 25 <~ e »se t t ., f- f- f r f <- c t _ vfC F00 » _ - ' K 6 C :mä-z 4 t. e c P1407 Som framgår av tabellen är det endast stål No 6 som eﬁer härdning ﬁån 1000°C vinner väsentlig hårdhetsökning efter djupkylning.

Vid däreﬁer följ ande undersökning av hårdhetens utveckling vid olika anlöpningstemperatmer valdes material som härdats ﬁﬂån 1000°C under 30 minuter och kylts till rumstemperatur för att studera hårdhetens utveckling vid olika anlöpningstemperaturer. Resultaten framgår av Fig.2. Som framgår av denna ﬁgur visar hårdheten för både stål No 5 och No 6 en svag sänkning upp till 500-520°C anlöpningstemperatur för att vid högre anlöpningstemperaturer avta kraﬁigt.

Därefter bestämdes slagsegheten som slagenergin för oanvisade provstavar. Proverna togs ut ur de smidda materialen i längsriktningen. Materialen hade härdats genom austenitisering vid lO00°C/30 minuter, avkylts till rumstemperatur och anlöpts 2 gånger vid 525°C under 2 timmar med mellanliggande luﬁsvalning. Hårdhet och slagenergi för fórsöksmaterialen framgår av tabell 4. I tabellen har även införts uppmätta värden för referensmaterialen, stål No 7 och No 8, efter härdning från 1lO0°C respektive 1075°C/3O min + anlöpning, 560°C/3 x l timme.

Tabell 4 Hårdhet och slagenergi fór ñrsöksmaterialen Material Hårdhet, HRC Slagenergi, J Stål No 5 62,0 18 Stål No 6 64,5 8 Stål No 7 62,0 i 55 Stål No 8 62,0 45 De nitrerade försöksmaterialen No 5 och No 6 uppvisar i förhållande till de ur fullskaleproduktion erhållna referensmaterialen No 7 och No 8 låga brottenergier.

Orsaken kan dels hänföras till de mycket högre haltema av hårdämnen i försöksmaterialen dels till att försöksmaterialen, som framställdes i laboratorieskala, har förhöjda syrehalter, 495ppm, respektive 570 ppm, jämfört med för produktionsmaterial mer normala syrehalter 50 ppm. Dock kan de noterade slagenergiema för 10 15 20 25 Pl407 fórsöksmaterialen vara acceptabla med sikte på de applikationer, för vilka snabbstålet enligt uppﬁnningen är avsedda, särskilt med hänsyn tagen till att högre slagenergier kan förväntas vid ﬁillskaleproduktion av materialen.

För utvärdering av stålens nötningsbeständighet, i synnerhet materialens motstånd mot adhesiv nötning, framställdes verktyg för kallformning av plåt av austenitiskt rostﬁitt stål ﬁór pumphus, mer bestämt verktyg för djuppressning av rotorhylsor till pumpar.

Pressen, där verktygen monterades, hade ett antal separata presstationer, vilka här benämns station 1 och 2. Station 2 var en station som erfarenhetsmässigt ger en påfrestning med avseende på adesiv nötning som är ca 3 gånger så stor som i station 1.

Den arbetande delen, som framställdes av de undersökta materialen, utgjordes av en ring med ytterdiameter 90 mm, inre diameter 64 mm och höj den 46,5 mm. Resultaten framgår av tabell 5.

Tabell 5 Verktygslängd (antal pressningar) för olika verktygsmaterial vid djuppressning av hylsor av rostfritt stål Material Presstation Ytbehandling Antal pressningar Stål No 5 1 Ingen > 1.500.000* Stål No 6 2 ” > 700.000* Stål No 7 1 ” 5ll60** Stål No 7 2 ” l8000** * Då resultaten utvärderades. ** Vareﬁer verktyget var utslitet.

Pressresultatet för det kvävehaltiga stålet No 5 enligt uppﬁnníngen visade en ökning av verktygets livslängd på minst 30 gånger jämfört med referensmaterialet No 7. Verktyget satt då fortfarande kvar i pressen och livslängdsprovningen fortsatte. Även det uppﬁnningsenli ga materialet No 6 uppvisade ett överlägset nötningsmotstånd, dvs. minst 40 gånger bättre livstid än referensmaterialet No 7. Det bör i sammanhanget även noteras att den lägre slagenergin för de uppﬁnningsenliga materialen jämfört med 10 (W ,. i i %::se 1a 4st«.«§e4tf:o» « 15 P1407 referensmaterialen inte medförde några problem vid denna mycket krävande applikation.

Materialens mikrostuktur undersöktes i svepelektronmikroskop (SBM). Fig. 3. visar mikrostrukturen hos stål No 6 efter HIP-ning med efterföljande smide. I ﬁguren syns vanadinkarbonitriderna som svarta, jämnt fördelade öar i den grå austeniten.

Strukturundersökningar av stål No 5 visade en likartad fördelning av vanadin- karbonitriderna. Det enda som, strukturmässigt, skiljer de båda uppﬁnningsenli ga materialen 5 och 6 åt är att stål No 6 innehåller ca. 70 % mer av fasandelen MX än stål No 5. Merparten av karbonitridema hade en diameter mellan 1-2 tim. Dessutom förekom i .både stål No 4 och No 5 en mindre fasandel MêC-karbider, som hade formen av skivformade utskiljningar med en utsträckning av ca. 2-3pm men med mycket liten tjocklek; någon eller några tiondels pm tjocklek.

Claims

1. 0 15 20 25 30 ß "3ïlï"514~”ï'=*ïïï4*1 äre: f fi* 00"” 7 ° P14o7 PATENTKRAV l. Pulvermetallurgiskt ﬁamställt snabbstål med hög kvävehalt i form av en kropp bildad genom konsolidering av legerat metallpulver, k ä n n e t e c k n at av att snabbstålet med avseende på dess kemiska sammansättning innehåller i vikts-% 1-2.5 C 1-3.5 N 0.05-1.7 Mn 0.05-1.2 Si 3-6 Cr 2-5 Mo 0.5-5 W 62-17 (V + zNb) rest järn och oundvikliga föroreningar i normala halter varvid haltema å ena sidan kolekvivalenten, Ceq, uttryckt som Ceq = C + åN , och å andra sidan vanadinekvivalenten, Veq, uttryckt som Veq = V + 2Nb ska vara så avstämda relativt varandra att halterna av nämnda ämnen, uttryckta som nämnda ekvivalenter, kommer att ligga inom arean Al-Bl-C l-D1-A1 i koordinatsystemet i Pig. 1, där Ceq/Veq- koordinaterna för punkterna Al-D1 Al: 4.5/17 Bl: 5.5/17 C1:2.45/6.2 Dl: 1.5/6.2 och att snabbstålet med avseende på stålets struktur, i härdat och anlöpt tillstånd, innehåller 12-40 vol-% hårdämnen avi stålets matrix jämnt fördelade partiklar av MX- typ, varvid M i nämnda hårdämnen av MX-typ väsentligen utgörs av vanadin och/eller niob och X består av 30 - 50 vikts-% kol och 50 - 70 vikts-% kväve. 10 15 20 ZS 30 , u! fr P1407

2. Snabbstål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att koeiﬁcienterna for haltema av kol- och vanadinekvivalenterna ligger inom arean AZ-B l-Cl-DZ-AZ i koordinatsystemet i Fig. 1, där Ceq/Veq- koordinatema för punkterna A2 och DZ är: A2: 4.6/17 DZ: 1.6/6.2

3. Snabbstål enligt krav 2, k ä n n e t e c k n at av att koeﬁcienterna för halterna av kol- och vanadinekvivalentema ligger inom arean A3-B1-Cl-D3-A3 i koordinatsystemet i Fig. 1 där Ceq/Veq- koordinatema för punkterna A3 och D3 är: A3: 4.75/ 17 D32 1.75/6.Z

4. Snabbstål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att koefﬁcienterna ﬁår halterna av kol- och vanadinhaltema ligger inom arean AZ-BZ-CZ-DZ-AZ i koordinatsystemet i Fig. 1, där Ceq/Veq- koordinatema for punkterna BZ och CZ är: BZ: 53/17 CZ: 2.3/6.Z

5. Snabbstål enligt krav 3 och 4, k ä n n e t e c k n a t av att koefﬁcienterna för halterna av kol- och vanadinekvivalentema ligger inom arean A3 -BZ-CZ-D3-A3 i koordinatsystemet i Fig. 1.

6. Snabbstål enligt krav l, k än n e t e c k n a t av att det innehåller 6.2 - 9.5 (V+ Z Nb), varvid koeﬁcienterna för halterna av kol- och vanadinekvivalenterna ligger inom arean Gl-Hl-Cl-Dl-Gl, där Ceq/Veq- koordinaterna för punkterna G1 och Hl är: Gl: 2.4/9.5 H1: 3.4/9.5 10 15 20 25 30 P1407

7. Snabbstål enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att koefﬁcienterna för halterna av kol- och vanadinekvivalenterna ligger inom arean G2-H1-C1-D2-G2 i koordinatsystemet i Fig. 1, där Ceq/Veq- koordinaten för hörnpunkten G2 är 2.5/9.5.

8. Snabbstål enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att koefﬁcienterna fór halterna av kol- och vanadinekvivalenterna ligger inom arean G2-H2-C2-D2-G2 i koordinatsystemet i Fig. 1, där Ceq/Veq- koordinaten för hömpunkten H2 är 3.2/ 9.5.

9. Snabbstål enligt krav 7 och 8, k ä n n e t e c k n at av att koeﬂicientema för halterna av kol- och vanadinekvivalenterna ligger inom arean G3-Hl-C1-D3-G3 i koordinatsystemet i Fig. 1, där Ceq/Veq, där koordinaten för hörnpunkten G3 är 2.65/9.5.

10. Snabbstål enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att koeﬂicienterna för halterna kol- och vanadinekvivalentema ligger inom arean G3-H2-C2-D3 -G3 i koordinatsystemet i Fig. 1.

11. Snabbstål enligt något av kraven 6-10, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 7-9 (V + 2 Nb).

12. Snabbstål enligt något av kraven 6-10, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller 7.4- 8.6 (V + 2 Nb).

13. Snabbstål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller 13.5 - 17 (V + 2 Nb) varvid koordinaterna för kol- och nickelekvivalentema ligger inom arean Al-Bl- El-Fl-Al i koordinatsystemet i Fig. 1, där Ceq/Veq- koordinatema fór hömpunlcterna fórEl och Fl är: E1:4.55/13.5 F1:3.55/l3.5 10 15 20 25 30 -; -.. , .. . _. .,-, - - » \_ ¿ f .re r I _ t' _ _-' ' . w ~ j . . < c x - ,_, W l,_ ,_ . ,, .,, . ._ , . _ _ _ _. J. ,. .N _; - ä9i f 2 = P1407

14. Snabbstål enligt krav 13, k ä n n e t e c k n a t av att koordinatema for halterna av kol- och vanadinekvivalentema ligger inom arean A2-B1-E1-F2-A2 i koordinatsystemet i Fig. 1, där Ceq/Veq- koordinaten för hörnpunkten F2 är 3.65/ 13.5.

15. Snabbstål enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a t av att koordinaterna för haltema av kol- och vanadinekvivalenterna ligger inom arean A3 -B1-E1-F3-A3 i koordinatsystemet i Fig. 1, där Ceq/Veq- koordinaten fór hömpunkten FS är 3.8/ 13.5.

16. Snabbstål enligt något av kraven 14 och 15, k ä n n e t e c k n a t av att koordinatema för halterna av kol- och vanadinekvivalenterna ligger inom arean A2-B2- E2-F2-A2.

17. Snabbstål enligt något av kraven 15 och 16, k ä n n e t e c k n at av att koordinatema för haltema av kol- och vanadinekvivalentema ligger inom arean A3-B2- E2-F3-A3 ikoordinatsystemet i Fig. l.

18. Snabbstål enligt något av kraven 13 - 17, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller 14- 16.5 (V + 2Nb).

19. Snabbstål enligt något av kraven 13 - 17, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller 14.5 - 16 (V+2Nb).

20. Snabbstål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 9.5 - 13.5 (V + 2 Nb), varvid koeﬁícienterna för haltema av kol- och vanadinekvivalenterna ligger inom arean Fl-El-Hl-Gl-Fl.

21. Snabbstål enligt krav 20, k ä n n e t e c k n a t av att koeﬁﬁcienterna for haltema av kol- och vanadinekvivalentema ligger inom arean F2-E1-H1-E2-F2.

22. Snabbstål enligt krav 21, k ä n n e t e c k n a t av att koeﬁﬁcienterna för halterna av kol- och vanadinekvivalentema ligger inom arean F3-E1-H1-G3-F3. 10 15 20 25 ' . v « < \ f r- K .kr 'c §'\ ', .- -x L ,¿ CO ' l _ 'JO ' t . .. .r f f* i P1407 An “ etxt §. e1«4tsr 4 1

23. Snabbstål enligt något av kraven 21 och 22, k ä n n e t e c k n a t av att koeﬂicienterna för haltema av kol- och vanadinekvivalentema ligger inom arean F2-E2- H2-G2-F2.

24. Snabbstål enligt krav 23, k ä n n e t e c k n a t av att koeﬁñcienterna för halterna av kol- och vanadinekvivalenterna ligger inom arean F3-E2-H2-G3-F3.

25. Snabbstål enligt något av kraven 20 -24, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 10 - 12.5 (V+2Nb).

26. Snabbstål enligt något av kraven 20 -24, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller 10.5 - 12 (V+2Nb).

27. Snabbstål enligt något av kraven 1 -26, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 0.1 - l.2% Si, företrädesvis max. 0.7% Si.

28. Snabbstål enligt något av kraven 1-26, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller max. 1.0 Mn, företrädesvis max. 0.5 Mn.

29. Snabbstål enligt något av kraven 1-26, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 3.5 - 5 Cr, företrädesvis max. 4.5 Cr.

30. Snabbstål enligt något av kraven 1-26, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller minst 2.5, företrädesvis 3.0 Mo och minst 2.0, lämpligen minst 2.5 och allra helst minst 3.0 W.

31. Snabbstål enligt något av kraven 1-26, k ä n n e t e c k n a t av att Mo och W- haltema vardera inte överstiger 5 %, företrädesvis inte överstiger 4%. 10 15 20 25 P1407

32. Snabbstål enligt något av kraven 30 och 31, k änn e t e c k n at av att % Mobq = %Mo + % K:- ligger inom intervallet 2.25 -7.5 %, företrädesvis inom intervallet 4- 6%.

33. Snabbstål enligt något av kraven 6-12, k ä n n e t e c k n a t av att stålet i härdat och anlöpt tillstånd innehåller 14-23 vol-% hårdämnen av i stålets matrix jämnt fördelade partiklar av MX-typ.

34. Snabbstål enligt något av kraven 13-19, k ä n n e t e c k n a t av att stålet i härdat och anlöpt tillstånd innehåller 23-38 vol-% hårdämnen av i stålets matrix jämnt fördelade partiklar av MX-typ.

35. Snabbstål enligt något av kraven 20 - 26, k ä n n e t e c k n a t av att stålet i härdat och anlöpt tillstånd innehåller 18-27 vol-% hårdärrmen av i stålets matrix jämnt fördelade partiklar av MX-typ.

36. Snabbstål enligt något av kraven 1-35, k ä n n e t e c k n a t av att det i härdat och anlöpt tillstånd irmehåller 3-5 vol-% lvlóC-karbider, där M är huvudsakligen Mo och W.

37. Snabbstål enligt något av kraven 1-35, k ä n n e t e c k n a t av att det förutom karbonitrider av MX- , där M är huvudsakligen V även innehåller karbider av MóC- typ, där M är huvudsakligen Mo och W, varvid den totala halten av MáC-karbider motsvarar 10-30 % av den totala halten av (MX + M6C)-fas

38. Snabbstål enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att det i härdat och anlöpt tillstånd innehåller 0.40 -0.60%, företrädesvis 0.47 -0.54% avi grundmassan inlöst kol.