SE522969C2 - Trådformad produkt, sätt att tillverka denna samt av produkten framställd slitdel - Google Patents

Description

. - - . . . . . .- 2 . . . . .. .. 131460 mindre risk för brott än vad som tidigare varit möjligt och att av en sålunda spunnen produkt producerbatt kunna tillverka kompressionsringar med hög och jämn slitstyrka och god korrosionsresistens.

Ett ändamål med uppfinningen är även att förenkla och därmed även förbílliga hela processen i samband med kalldragningen av tråden genom att reducera antalet processteg.

De förbättringar som ligger till grund för uppfinningen kan även utnyttjas för utveckling av trådformade produkter av martensitiska rostfria stål med högre halter av ingående legeringselement än vad som tidigare varit möjligt att göra med god tillverknings- ekonomi inom detta tekniska område. Förutom ovan nämnda, martensitiska kromstål, kan inom uppfinningens ram sålunda tänkas en mångfald stål med olika kemiska sammansättningar. Tänkbara är t.ex. stål som innehåller i vikts-% 1-2 C, 0-1.5 Si, 0-1 Mn, max 0.050 P, max 0.050 S, 22-27 Cr, 0.5-l.5 Mo, 0.5-1.0 V, rest väsentligen endast järn och föroreningar. Inom nämnda intervall kan ett tänkbart stål t.ex. ha den nominella sammansättningen 1.2 C, 0.9 Si, 0.5 Mn, max 0.050 P, max 0.050 S, 22 Cr, 0.5 Mo, 0.5 V, rest väsentligen endast jäm och föroreningar. En annan tänkbar nominell sammansättning kan vara 1.7 C, 1.1 Si, 0.8 Mn, max 0.050 P, max 0.050 S, 27 Cr, 1.0 Mo, 0.7 V, rest väsentligen endast jäm och oundvikliga föroreningar.

Ovanstående och andra syften med uppfinningen kan uppnås genom att denna känne- tecknas av vad som anges i de efterföljande patentkraven. Ytterligare kännetecken och aspekter på uppfinningen kommer att framgå av följande detaljerade beskrivning av uppfinningen och av redovisade exempel och utförda undersökningar.

KORT FIGURBESKRIVNING I ritningsfigurerna visar Fi g. 1A-I exempel på tvärsektioner hos den trådformade produkten enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN OCH AV UTFÖRDA STUDIER I det följande kommer att göras en jämförande studie av konventionell tillverkning och tillverkning enligt uppfinningen av en trådformad produkt för tillverkning av kompressionsringar med den i och för sig kända kemiska sammansättning som 10 15 20 25 30 35 522 969 3 redovisats i inledningen, nämligen 0.90 % C, 0.40 Si, 0.40 Mn, 18.0 Cr, 0.10 V, 1.0 Mo, rest järn och oundvikliga föroreningar. De studerade materialen innehöll max 0.040 P och max 0.030 S.

Konventionellt tillverkas detta kända martensitiska kromstål genom att man bereder en stålsmälta med nämnda sammansättning enligt normal stålverkspraxis, varefter smältan tappas och stränggjuts, varvid strängen kyls så snabbt som är möjligt med konventionell teknik, vilket innebär en svalningshastighet som normalt är mindre än 1°C/s. Den stelnade strängen kapas till att bilda blooms eller billets, vilka varmvalsas, eventuellt efter föregående smidning, till att bilda ämnen. Av dessa varmvalsas tråd till - exempelvis - dimensionen ø 5.5 mm.

Valstråden skall därefter kalldragas från t. ex. dimension ø 5.5 mm till t.ex. dimension ø 2.7 mm. Härför krävs med det konventionella materialet fyra kalldragningsserier.

Mellan varje sådan serie måste tråden med mellanglödgas och betas och före varje mjukglödgning måste tråden avfettas. Operationsschemat framgår av vänstra kolumnen i Tabell 1. Anledningen till det stora antalet dragserier var materialets begränsade duktilitet, som krävde upprepade mellanglödgningar, vilka i sin tur krävde fömyad betning samt avfettning före varje mellanglödgningsoperation. Den maximalt möjliga reduktionen före mellanglödgning noterades till 39 %; serie 2 och 3. Den främsta anledningen till den dåliga duktiliteten i det konventionella materialet bedöms bero på förekomsten av stora karbider i materialet, se karbidanalys längre fram i texten.

Det material som används enligt den beskrivna applikationen av uppfinningen har samma kemiska sammansättning som det beskrivna konventionella materialet men har från smält tillstånd bringats att stelna genom avkylning med en avkylningshastighet av minst 100°C/s, företrädesvis minst 1000°C/s, så att man erhåller ett stelnat material, som innehåller jämnt fördelade karbider, varvid väsentligen alla förekommande karbidpartiklar - vilka är i och för sig önskvärda för att produkten skall få önskad slitstyrka - har en maximal partikeltjocklek av 8 um, varvid partikeltjocklek definieras som medelvärdet av den ljusmikroskopiskt iakttagna partikelns längd och bredd. En sådan karbidfördelning och karbidstorlek kan uppnås genom att smältan bringas att stelna genom att en smältastråle gasatomiseras, dvs ñnfördelas under inverkan av gasstrålar till små droppar som snabbt bringas att stelna genom avkylning med en hastighet av minst l00°/s. Företrädesvis bringas dropparna att stelna till att bilda ett pulver genom avkylning av droppama med en hastighet av 1000-l0000°C/s. Av det sålunda erhållna pulvret bildas en konsoliderad kropp, vilket kan ske på ett sätt som i 10 15 522 969 dag är konventionellt för pulvermetallurgisk teknik, nämligen genom att fyllas i kapslar, vilka forsluts, varefter innehållet densifieras genom operationer som innefattar hetisostatisk pressning (HIP) till att bilda en helt tät kropp som smids och varmvalsas till ämnen, som i sin tur varmvalsas till att bilda den varmvalsade tråd som utgör den mellanprodukt som däreñer skall kalldras.

Enligt den här beskrivna applikationen på uppfinningen användes sålunda ett pulver- metallurgiskt tillverkat material som varmvalsades till tråd med dimensionen ø 5.5 mm.

Denna kalldrogs därefter i samma anläggningar som använts för det konventionella materialet. Det visade sig att det pulvermetallurgiskt tillverkade materialet kunde dras med ända upp till 65 % areareduktion före glödgning. För att reducera trådens tjocklek från ø 5.5 till ø 2.7 krävdes därför endast en enda mellanglödgning, som kan utgöras av rekristallisationsglödgning eller mjukglödgning, såsom framgår av den högra kolumnen i Tabell 1. 10 522 969 5 Tabell 1 Kalldragning - operationsschema ..- .- Dragserie Konventionellt material Dragserie Material enligt uppfinningen nr nr 1 Betning 1 Betning Dragning ø 5.5-ø 4.6 mm Dragning ø 5.5-ø 3.25 mm (reduktion max 30 %) (reduktion max 65 %) Avfettning Avfettning Mellanglödgning Mellanglödgning 2 Betning 2 Betning Dragning ø 4.6-ø 3.6 mm Dragning ø 3.25-ø 2.7 mm (reduktion max 39 %) (reduktion 31 %; max 65 % Avfettning reduktion möjlig) Avfettning Mellanglödgning Glödgning 3 Betning Dragning ø 3.6-ø 2.81 mm (reduktion max 39 %) Avfettning Mellanglödgning 4 Betning Dragning ø 2.81-ß 2.7 mm (reduktion 8 %; max 39 % reduktion möjlig) Avfettning Glödgning Den kalldragna och glödgade tråden kallvalsades därefter till slutlig tvärsektion och form, t.ex. till någon av de former som visas i Fig. 1A-I. a.. .- Det skall inses att såväl den konventionellt som den uppfinningsenligt tillverkade, kall- dragna tråden kan dragas till även tunnare dimensioner än ø 2.7 mm, något som ibland krävs och som förekommer för vissa kompressionsringar. Härvid blir problemet med den begränsade duktiliteten hos det konventionella materialet allt mer accentuerat. För att kunna dra en tråd ned till ø 1.0 mm kan vid användning av det konventionella materialet krävas ända upp till omkring tio mellanglödgningar, vilket på ett drastiskt sätt fördyrar tillverkningen. Med det uppfinningsenliga materialet, som innehåller en mängd 10 15 20 25 30 . . . a u ~ . . f.. 522 969 små, jämnt fördelade men inga stora karbider krävs ett väsentligt mycket mindre antal mellanglödgningar.

De båda materialen, det konventionellt tillverkade och det som tillverkats enligt uppfinningen, analyserades med avseende på sitt karbidinnehåll före kalldragning. De prover som skulle studeras etsades med en reagens som gjorde det möjligt att räkna och storleksbedöma karbider genom ljusmikroskopiska studier vid förstoringen 500x. För varje material studerades 210 fält, vart och ett bestående av en kvadrat med storleken 0.020 mmz, dvs totalt 4,2 mmz. Varje fält jämfördes med en likare för bedömning av storlekstypen på de största förekommande karbidema i varje fält enligt ett standardtest baserat på karbidemas skadlighetsgrad med hänsyn till storlek. Fem sådana nivåer förekom i testet, nämligen de maximala karbidtjocklekama 8 um, 10 um, 17 um, 24 um respektive 38 um. Skadlighetsfaktom, S, för karbider med dessa maximala tjocklekar anges i Tabell 2, varav framgår att tex. karbider med tjocklekar upp till max 8 um tilldelas en skadlighetsfaktor 0.01, medan karbider med storlekar upp till max 38 um har skadlighetsfaktom 4. Genom att multiplicera antalet fält med respektive skadlighets- faktor och därefler summera produktema och dividera summan med den totalt studerade arean, 4,2 mmz, erhålls ett karbidindex, IC. Såsom framgår av Tabell 2 uppgick karbid- index, IC, för det konventionella materialet till 21.9 och för materialet enligt uppfinningen till endast 0,5.

Det skall i detta sammanhang även noteras att ovanstående utgör ett standardtest, där man tilldelat alla karbider med tjocklekar upp till max 8 um en skadlighetsfaktor, S, av 0.01, I själva verket noterades i materialet enligt uppfinningen inga karbider större än 6 um räknat i karbidemas största utsträckning. Det skall även noteras att i varje studerat fält kunde noteras en mängd sådana, mycket små karbider. Några stråk eller agglomerat av karbider kunde inte noteras i materialet enligt uppfinningen. Allt detta indikerar att materialet enligt uppfinningen innehåller en stor förekomst av mycket små och jämnt fördelade karbider, vilket är önskvärt av flera skäl, såsom från duktilitets- och slitstyrkesynpunkt.

Tabell 2 Karbidanalys 522 969 7 ...i n- Max Karbid- Skadlighets- Antal falt, F S x F tjocklek faktor, S Konven- Upp- Konven- Upp- tionellt finningen tionellt finningen 8 um 0.01 66 210 0.66 2.1 10 um 0.5 118 - 59.0 - 17 um 1 24 - 24 - 24 um 2 2 - 4 - 38 um 4 - - - - Z S x F 87.2 2.1 Karbidindex, IC = ZSxF 21-9 0-5 Zarea a... .- Sedan den trådformade produkten erhållit sin slutliga form i tvärsektion genom kall- valsning blankhärdas och anlöps tråden, så att materialet får en mikrostruktur bestående av anlöpt martensit innehållande jämnt fördelade karbider med en tjocklek uppgående till maximalt 8 um, företrädesvis en storlek av max 6 um i karbidens maximala utsträckning.

Claims (16)

10 15 20 25 30 35 ..- .o 522 969 8 PATENTKRAV

1. l. Sätt vid tillverkning av en trådformad produkt med hög slitstyrka, känneteckn at av - att man bereder en smälta av ett martensitiskt rostfritt kromstål som innehåller i vikts-%: 0.6-3.0 C max 2.0 Si max 2.0 Mn 13-30 Cr 0-10 Mo från noll till totalt max 10 % av de starka karbidbildare som tillhör den grupp av ämnen som innefattar V, Nb, Ta och Zr totalt max l % av övriga, eventuellt förekommande legeringsämnen rest järn och oundvikliga föroreningar, - att smältan tappas och bringas att stelna genom avkylning med en avkylnings- hastighet av minst 100°C/s så att man erhåller ett stelnat material, som innehåller jämnt fördelade karbider, varvid väsentligen alla förekommande karbidpartiklar har en maximal partikeltjocklek av 8 um, varvid partikeltjocklek definieras som medelvärdet av den ljusmikroskopiskt iakttagna partikelns längd och bredd, och - att av detta material bildas en mellanprodukt i form av en tråd som kalldras och eventuellt kallvalsas till önskad slutdimension, varefter tråden härdas och anlöps till erhållande av nämnda trådformade produkt som har en mikrostruktur huvud- sakligen bestående av anlöpt martensit innehållande karbider med en partikel- tjocklek av max 8 um.

2. Sätt enligt krav I, k ä n n e t e c k n at av att väsentligen alla karbider i den trådformade produkten har en största utsträckning av max 6 um.

3. Sätt enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n at av att tråden kalldras i åtminstone en första och en andra serie kalldrag och glödgas mellan nämnda serier av kalldrag men icke mellan dragen i respektive serie, och att trådens tvärsnittsarea i åtminstone någon av dessa serier reduceras med åtminstone 50 %.

4. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at av att smältan bringas att stelna genom att en smältastråle finfördelas till små droppar som snabbt avkyls. 10 15 20 25 30 35 522 969 _,, 9 u i P1460

5. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n at av att droppama stelnas till att bilda ett pulver, som fylls i kapslar, vilka försluts, varefier innehållet densifieras genom operationer som innefattar hetisostatisk pressning till att bilda en helt tät kropp, som, eventuellt efter smidning och varmvalsning till ämnen, varmvalsas till att bilda varmvalsad tråd med dimensionen 4.5-7.5 mm, företrädesvis 4.5-6.5 mm, som utgör nämnda mellanprodukt.

6. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n at av att nämnda droppar bringas att stelna genom att avkylas med en hastighet av 1000-10000°C/s.

7. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att droppama avkyls med en hastighet av 100- 1 000°C/s.

8. Sätt enligt krav 5, k ä n n e t e c k n at av att tråden kalldras från dimensionen ø 4.5- 6.5 mm ned till dimensionen ø 2-3 mm i ett antal efter varandra följande kalldrag med endast en mellanglödgning, dvs endast två kalldragsserier med glödgning mellan serierna, och att tråden i varje sådan serie dras med en total areareduktion av minst 50 %, företrädesvis minst 55 % och i åtminstone någon av seriema med minst 55 %, företrädesvis minst 60 % areareduktion.

9. Sätt enligt krav 8, k ä n n e t e c k n at av att kalldragning av tråden fortsätter ned till dimensionen ø 1-2 mm.

10. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n et e c k n at av att tråden glödgas eñer fullbordad kalldragning och därefter kallvalsas till väsentligen platt form.

11. ll. Trådformad produkt med hög slitstyrka och högt korrosionsmotstånd, vilken är kall- dragen och därefter kallt plattvalsad, härdad och anlöpt, bestående av ett martensitiskt rostfritt kromstål som innehåller i vikts-%: 0.6-3.0 C max 2.0 Si max 2.0 Mn 13-30 Cr 0-10 Mo från noll till totalt max 10 % av de starka karbidbildare som tillhör den grupp av ämnen som innefattar V, Nb, Ta och Zr totalt max 1 % av övriga, eventuellt förekommande legeringsämnen 10 15 20 25 30 35 522 969 _w" 10 . _ . . .. .. "131460 rest jäm och oundvikliga föroreningar, k ä n n e t e c k n a d av att stålets struktur utgörs huvudsakligen av anlöpt martensit samt innehåller karbider, av vilka väsentligen alla har en maximal partikeltjocklek som icke överstiger 8 um, vilka karbidpartiklar är så jämnt fördelade i stålet att i väsentligen varje studerat fält bestående av en 0.02 mmz stor kvadratisk yta kan med ljusmikroskop iakttas en mängd sådana karbidpartiklar.

12. Trådformad produkt enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d av att väsentligen alla i stålet förekommande karbidpartiklar har en maximal utsträckning av 6 um, erhållbar genom pulvermetallurgisk tillverkning av stålet.

13. Trådformad produkt enligt krav 11 eller 12, k ä n n e t e c k n a d av att stålet innehåller 0.8-2.0 C 17-25 Cr 0.5-4 Mo max 0.5 V rest väsentligen endast järn och normalt förekommande Föroreningar.

14. Trådformad produkt enligt krav 13, k ä n n e t e c k n a d av att stålet innehåller 0.8-1.0 C 0.1-1.0 Si 0.1-1.0 Mn max 0.040 P max 0.030 S 17-19 Cr 0.05-0.2 V 0.5-2.0 M0 rest väsentligen endast järn och normalt förekommande föroreningar.

15. Användning av en trådformad produkt enligt något.av kraven 11-14 för slitdelar i förbränningsmotorer.

16. Användning enligt krav 15 för kompressionsringar, i synnerhet toppringar och oljeskrapringar, för kolvar i förbränningsmotorer.