SE524583C2 - Sammansatt metallprodukt och förfarande för framställning av en sådan - Google Patents

Description

25 30 524 583 P1704 2 - - ~ - » n anledningen till att ingen av de nämnda teknikema, så långt är bekant för sökanden, kom att användas vid den kommersiella tillverkningen av Coronite-materialet. I stället tillverkades materialet genom extrusion, en dyrbar teknik som gjorde att materialet inte kunde konkurrera med varken snabbstål eller hårdmetall. Något annat material som kan göra anspråk på att fylla ”gapet” mellan snabbstål och hårdmetall är inte känt.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att erbjuda ett nytt material som kan konkurrera med nu tillgängliga material för skärande, klippande, stansande och formande bearbetning samt för andra produkter på vilka höga krav ställs med avseende på hårdhet och slitstyrka. I synnerhet är ett syfte att för åtminstone vissa applikationer erbjuda ett alternativ till hårdmetall (cemented carbides), vilket inte utesluter att materialet även ska kunna användas i åtminstone vissa applikationer där man i dag använder snabbstål, kallarbetsstål eller slitstarka konstruktionsstål.

Detta syfte kan uppnås enligt uppfinningen med en sammansatt metallprodukt som innehåller 30-90 vol-% av en hårdfas som har formen av väsentligen runda partiklar av huvudsakligen M(C,N)-karbonitrid eller M(C,N,O)-karbonitridoxid, gemensamt benämnda hårdfas av MX-typ, där M till minst 50 atom-% utgörs av titan och atomprocentförhållandet mellan C och N skall tillfredsställa villkoret < 0.7, företrädesvis tillfredsställa villkoret 0.2 < N C + N C + N N < 0.6 och allra helst tillfredsställa villkoret C + N 0.l< < 0.6, lämpligen tillfredsställa villkoret 0.3 < 0.4 < C N < 0.5, vilka partiklar är väsentligen homogent dispergerade i en matrix av + härdbart stål.

Vid de arbeten som lett fram till den föreliggande uppfinningen har försök gjorts även med andra metaller än titan i nämnda hårdfas av MX-typ, såsom V, Nb och Hf. Dessa försök ledde inte till önskvärda resultat, då andelen av nämnda element var hög, vilket dock inte utesluter att goda resultat skulle kunna uppnås vid mer måttliga halter av dessa metaller i MX-fasen. Även andra MX-fas bildande metaller skulle också kunna vara tänkbara, såsom Ta och Zr. Dock bedöms att M icke till mer än max. 40 atom-% i nämnda hårdfas av MX-typ får bestå av ett eller flera av de metaller som tillhör gruppen V, Nb, Ta, Hf och Zr. T.ex. skulle M kunna bestå av minst 5 och max. 30 atom-% V och/eller av minst 5 och max. 30 atom-% Nb, totalt dock max. 40 atom-%. Om Ta, Zr 10 15 20 25 30 35 524 583 P1704 3 . . n » . u och/eller Hf skall ingå bör, enligt en aspekt på uppfinningen, den totala halten uppgå till max. 3 atom-% av hela metallinnehållet i hårdfasen av MX-typ.

Enligt en aspekt på uppfinningen består metallen M i nämnda hårdfas av MX-typ till minst 70 atom-%, företrädesvis minst 80 atom-% och allra helst minst 90 atom-% av Ti.

Den totala halten av hårdfas av MX-typ uppgår enligt en aspekt på uppfinningen till 30- 70 vol-%, företrädesvis 40-60 vol-% av metallprodukten.

Nämnda matrix består som ovan nämnts av ett härdbart stål. I dess härdade och anlöpta tillstånd kan stålet även innehålla sekundärt utskiljda karbider, t.ex. vanadinkarbider, dvs. MC-karbider, med en storlek som understiger vad som kan observeras i ljusmikroskop. Vidare kan stålet innehålla primärkarbider typiska för snabbstål, t.ex.

MóC-karbider. Sålunda kan nämnda matrix jämte i matrixen förekommande, sekundärt utskiljda MC-karbider samt hårdfas av annan typ än MX-typ, ha följ ande kemiska sammansättning i vikts-%: 0.3-3.0 C från spår till max 2 Si från spår till max 2 Mn från spår till max 0.5 S 2-13 Cr från spår till max 18 W från spår till max 12 Mo från spår till max 15 Co från spår till max 10 V från spår till max 2 Nb rest Fe, dock minst 50 vikts-% Fe, samt normalt förekommande föroreningar från stålets tillverkning.

Uppfinningen syftar även till att erbjuda ett sätt att med god reproducerbarhet tillverka en sammansatt metallprodukt som innehåller 30-90 vol-% av en hårdfas som har formen av väsentligen runda partiklar av huvudsakligen M (C, N)-karbonitrid eller M (C,N,O)- karbonitridoxid, gemensamt benämnda hårdfax av MX-typ, vilka partiklar är väsentligen homogent dispergerade i en matrix av härdbart stål. Enligt det uppfinningsenliga sättet åstadkommes detta därigenom att en pulverblandning innehållande dels pulver av titankarbid, titarmitrid och/eller titankarbonitrid i så stor mängd att dess innehåll av titanatomer motsvarar minst 50 % av metallatomema i 10 15 20 25 30 35 524 583 4 P1704 nämnda hårdfas av MX-typ i den slutliga metallprodukten, dels åtminstone huvuddelen av övriga beståndsdelar i den färdiga produkten, mals tillsammans, att av den malda produkten formas en kropp som smältfassintras vid en temperatur mellan 1350- 1600°C och därefter avkyls så att smältfasen bringas att stelna, varvid under nämnda smältfassintring och efterföljande stelning nämnda hårdfaspartiklar av MX-typ får sin slutliga sammansättning och storlek. Företrädesvis har minst 90 % av antalet av nämnda MX-faspartiklar i ett betraktat snitt av materialet en storlek understigande l um.

Enligt en aspekt på sättet enligt uppfinningen regleras vidare mängden kol och kväve regleras under den integrerade process som innefattar val och blandning av pulver, malning av pulverblandningen, formning av presskroppar av det malda pulvret samt smältfassintring, så att mängden kol och kväve i atom-% i nämnda hårdfas i den färdiga produkten tillfredsställer det värde på förhållandet som nämnts i det föregående.

C+N Enligt en aspekt på sättet enligt uppfinningen utförs vidare malningen av pulverblandningen med en energiinsats av minst 10 MJ (megajoule) /kg pulver, företrädesvis minst 20 MJ/kg pulver. En energiinsats av 25 MJ /kg pulver har visat sig lämplig. Energiinsatsen bör, enligt en aspekt på uppfinningen, därför maximeras till 50 MJ/kg pulver, lämpligen maximeras till 40 MJ/kg pulver för att inte onödigtvis fördyra tillverkningen.

Typiskt för sättet att tillverka den sammansatta metallprodukten är att hårdfaspartiklarna av MX-typ blir jämnt dispergerade i nämnda matrix. Med jämnt dispergerade förstås härvid att högst 0.5 % av ett snitt genom produkten bör bestå av områden med en längd av minst 8 um i områdets längsta utsträckningsriktning, en bredd, i något parti av området, av minst 8 um tvärs nämnda längsta utsträckningsriktning, och en yta av minst 50 umz, vilka områden saknar hårdfaspartiklar av MX-typ, och att högst 10 % och företrädesvis högst 5 % av snittet genom produkten består av områden med en längd av minst 6 d i områdets längsta utsträckningsriktning, en bredd, i något parti av området, av minst 6 d i en riktning tvärs nämnda längsta utsträckning, och en yta av minst 9 ndz, där d är medelvärdet på storleken hos hårdfaspartiklarna av MX-typ i partiklamas längsta utsträckning i det betraktade snittet, vilka områden saknar hårdfaspartiklar av MX-typ.

Pulvret av titankarbid, titannitrid och/eller titankarbonitrid som används i pulverblandningen kan vara oxiderat. Vid utförda försök har det sålunda visat sig att 10 15 20 25 30 35 524 583 P17o4 5 . f n I - n krafiigt oxiderat pulver kan användas utan att behöva reduceras, vilket är en väsentlig fördel från kostnadssynpunkt. Vid den fortsatta processen, innefattande malning, formning av presskroppar och sintring, behöver heller inga åtgärder vidtas för att förhindra ytterligare syreupptagning, vilket också är en fördel. Existerande syre i pulverblandningen plus ytterligare upptaget syre under processen, förenar sig med titanet i nämnda hårdfas, där syret delvis ersätter kol och/eller kväve i hårdfasens kristallgitter, i vilket fall hårdfasen kan definieras som M(C,N,O)-karbonitridoxid.

Enligt en aspekt på uppfinningen innehåller denna hårdfas 0.01-4 atom-% syre av den totala halten av C+N+O i hårdfasen.

Ytterligare aspekter och kännetecken på uppfinningen framgår av eflerföljande beskrivning, diskussion samt av patentkraven.

KORT FIGURBESKRIVNING Vid följ ande beskrivning av utförda försök kommer att hänvisas till bifogade ritningsfigurer, av vilka, Fig. 1-Fig. 5 visar mikrostrukturer hos prover framställda av en pulverblandning innehållande TiC och TiN, varvid resulterande hårdfas har varierande förhållande N , C+N Fig. 6-Fig. 10 visar mikrostrukturen hos en sammansatt produkt med en kemisk sammansättning enligt uppfinningen efter sintring vid varierande temperaturer mellan 1350 och l540°C, och Fig. 11 visar mikrostrukturen hos ett material med samma kemiska sammansättning, framställt genom hetisostatisk pressning (HIP-ning).

BESKRIVNING Av UTFÖRDA FÖRSÖK Vid försöken användes som utgångsmaterial olika blandningar av pulverformig härdfas, basmetallpulver och kol i form av grafitpulver. Hårdfasen utgjordes av vanadinkarbid (VC), niobkarbid (NbC), hafniumkarbid (HfC), hafniumtitankarbid ((Hf,Ti)C), titannitrid (TiN) och titankarbid (TiC). Mer bestämt användes som hårdfas kommersiellt tillgängliga pulver av nämnda hårdfaser med en komstorlek i storleksordningen 1 um.

Dessa pulver var starkt oxiderade och innehöll flera tusen ppm syre. Storleksordningen av syrehalten kan uppskattas till 4000 ppm (0,4 %) men kan även vara högre och uppgå till storleksordningen 1 vikt-%. Basmetallpulvret bestod av ett kommersiellt tillgängligt snabbstål av sökandens egen tillverkning med varunarnnet ASP 2030® med den 10 15 20 25 30 35 524 583 , . . . . » « u 1 « = »n Pl704 nominella sammansättningen 1.28 C, 0.5 Si, 0.3 Mn, 4.2 Cr, 5.0 Mo, 3.1 V, 6.4 W, 8.5 Co, rest Fe och oundvikliga föroreningar. Detta pulver utgjordes av ett gasatomiserat pulver, som siktats till en maximal komstorlek av 125 um. En målsättning vid försöken var att matrix i den färdiga sammansatta produkten skulle ha väsentligen samma sammansättning som matrix i det tillsatta stålpulvret av typ ASP 203 0® efter härdning.

Därför tillsattes i pulverblandningama även kol i form av pulverformig grafit i varierande mängd.

De olika pulverblandningarna maldes i en så kallad attritor-kvam, som är en typ av kulkvam med malkulor av kullagerstål. Till skillnad från konventionella kulkvarnar, där rotationen av kvarnhuset tillför energi till malkuloma, tillförs i en attritor-kvam energin till kuloma av en roterande propeller, varigenom malkropparna kan få en mycket hög hastighet och därmed överföra större energi till den produkt som mals.

Energiinsatsen/tid är sålunda i en attritor-kvam ca femton gånger större än i en mer konventionell kulkvam. Detta har betydelse för homogeniseringen av det material som mals. Vid malningen krossas, deformeras och återfogas partiklar ständigt. Genom den deformation som ingår som en viktig del i denna behandling tillförs en stor mängd dislokationsenergi till malprodukten, så att det malda materialet får ett ändrat, högre energitillstånd. Den på detta sätt tillfórda energin till det malda pulvret uppgick till ca 25 MJ (Megajoule) /kg pulver. Vid malningen användes ingen malvätska. Malningen utfördes i kvävgas, vilket medförde upptag av kväve i produkten. Även upptag av syre genom oxidation förekom vid pulverhanteringen.

De sålunda malda pulverbladningama pressades till råpresskroppar utan tillsats av bindemedel (pressing aid).

Råpresskropparna konsoliderades genom smältfassintring (liquid phase sintering) i vakuumugn, med grafitelement som värmekälla (graphite electric heater).

Sintringstemperaturema varierade från 1300 till l540°C med en hålltid av 30 min vid sintringstemperaturen.

Före mekaniska tester härdades provema från 1180°C, följt av anlöpning 3 x 560°C/ 1 h.

Försöksserie I; prover innehållande vandadinkarbid (VC) och titannitrid (TiN) I denna försöksserie tillverkades tre olika legeringar, benämnda legering 63, 64 respektive 65. Förutom VC, TiN, basmetallen ASP 203 0® och kol i form av grafitpulver 10 15 20 25 524 583 . . ~ « | .n P1704 tillsattes i denna försöksserie även en mindre mängd pulverformig kromkarbid, Cr3C2.

De ingående ingrediensema i pulverblandningama framgår av Tabell 1.

Tabell 1 Ingående ingredienser (gram) i pulverblandningarna Legering nr 63 64 65 g g g AsP 2113o® 1668 1668 1668 VC 490 530 570 TiN 295 257 220 Cr3C2 36 36 36 Kol (grafit) 12 12 12 Pulverblandningama maldes i tio timmar i attritorkvam med en energiinsats av ca 25 MJ/kg pulver, pressades till råpresskroppar och sintrades på sätt som beskrivits ovan.

Mikrostrukturen hos prover sintrade vid 1300, 1350 och l400°C studerades. Som jämförelse studerades även prover av samma pulverblandningar som konsoliderats genom hetisostatisk pressning (HIP-ning). Studierna visade att man med dessa pulverblandningar kan uppnå hög täthet och liten hårdfasstorlek efter sintring.

Emellertid kunde även noteras att homogeniteten hos legeringama inte förbättrades genom sintringen vid jämförelse med HIP-at material. Dessutom förekom abnorm tillväxt av hårdfaspartiklarna, i synnerhet i vissa större områden, i alla de tre legeringarna, 63, 64 och 65.

Försöksserie II; prover innehållande niobkarbid (NbC) och titankarbid (TiN) Tre blandningar av pulver av baslegeringen ASP 203 O®, niobkarbid, titannitrid och kol (grafit) med samma fysiska karaktär som i försöksserie I iordningställdes.

Blandningamas sammansättning framgår av Tabell 2.

Tabell 2 Ingående ingredienser (gram) i pulverblandningarna Legering nr 74 75 76 g g g ASP 2030® 1248 1274 1302 NbC 544 430 310 TiN 198 286 378 Kol (grafit) 10 1 0 10 10 15 20 25 524 583 P1704 Efter malning enligt ovan och framställning av råpresskroppar, framställdes konsoli- derade prover genom dels HIP-ning, dels smältfassintring vid 1350 och 1400°C.

Mikrostrukturstudier av proverna visade att man genom HIP-ning fick en förhållandevis homogen mikrostruktur. Homo geniteten efter sintring var däremot inte god. Detta kan sannolikt tillskrivas mycket dålig vätning mellan hårdfasen och den smälta fasen. Denna typ av legering med hög andel NbC bedöms därför inte vara lämpad att smältfassintra.

Försöksserie III; prover innehållande HfC, (HflTÜC och (TiN) Pulverblandningar med sammansättning enligt Tabell 3 iordningställdes. Även dessa pulver hade samma fysiska karaktär som i försöksserie I och II.

Tabell 3 Ingående ingredienser (gram) i pulverblandningarna Legering nr 66 67 68 g g g ASP 21130® 1188 1188 1188 Hfc 984 590 262 (Hflmc - 525 971 TiN 328 197 79 Kol (graflt) 15 15 l 5 Även dessa pulverblandningar av samma fysiska karaktär som i de tidigare försöks- serierna maldes på analogt sätt som i försöksserie I och II, varefter framställdes råpresskroppar, Dessa konsoliderades genom HIP-ning, respektive sintring vid 1400°C.

Mikrostrukturstudier kunde icke påvisa någon signifikant förbättring av homogeniteten genom sintring vid l400°C och vid 1540°C.

Försöksserie IV; prover innehållande TiC och TiN De ingående ingredienserna i pulverblandningama som frarnställdes i denna försöks- serie framgår av Tabell 4. I Tabell 5 redovisas de nominella kemiska samman- sättningama (riktvärden). Den typiska karaktären hos pulvret var densamma som i föregående försöksserier. 524 583 P1704 I 9 . n n a - u Tabell 4 Ingående ingredienser (gram) i pulverblandningarna Legering nr 83 69 84 70 71 72 73 g g 8 B g g 8 ASP 2030® 1364 1697 1360 1692 1687 1682 1677 TiC 583 652 468 517 387 259 125 TíN 46 135 166 276 411 545 684 Kol (grafit) 7 23 7 23 22 21 20 De ingående ingrediensema i pulverblandningarna var så valda att endast haltema av kol och kväve varierades, medan övriga element förekom i väsentligen lika höga halter i 5 blandningama. Sålunda innehöll den kemiska sammansättningen hos pulverblandningama i vikts-%: 0.39 Si, 0.18 Mn, 2.66 Cr, 3.34 Mo, 4.18 W, 2.05 V, 5.60 Co och 25.3 Ti. Syrehalten var enligt uppgift från tillverkaren ca. 0.27 vikts-%.

Resten utgjordes av järn, kol och kväve. Pulverblandningarnas innehåll av kol och kväve framgår av tabell 5. 10 Tabell 5 Pulverblandningarnas innehåll av kol och kväve, vikts-% Legering 69 70 71 72 73 83 84 nr % % % % % % % C 6.80 5.22 4.19 3.15 2.07 6.88 5.75 N 1.20 2.47 3.67 4.87 6.12 0.52 1.85 Pulverblandningama maldes i attritor-kvam på sätt som beskrivits i det föregående, dvs. 15 under en tid av 10 timmar med en energiinsats av 25 MJ/kg pulver. Av det malda pulvret framställdes råpresskroppar, som konsoliderades dels genom HIP-ning, dels genom smältfassintring vid varierande temperaturer mellan 1300 och 1540°C under en hâlltid av 30 min vid sintringstemperaturen. 20 Vid studium av de sintrade provemas mikrostrukturer visade det sig att mikro- strukturens homogenitet, varmed i detta sammanhang förstås hårdfaspartiklarnas mer eller mindre jämna fördelning i matñxlegeringen, varierade med provemas kemiska sammansättning. Fig. 1-Fig. 5 visar mikrostrukturema hos prover av legeringama 69, 70, 71, 72 och 73 efter smältfassintring vid 1480°C. Sålunda uppvisade legeringama 70 25 och 71 en relativt homogen struktur och tina hårdfaspartiklar med storlekar väl under lum. Legering 69 hade en jämförelsevis grövre hårdfasstruktur. Sämre homogenitet samt högre porositet hade legering 72 och sämst homogenitet och högst porositet hade legering 73. Skillnaderna kan tillskrivas någon av följande faktorer: den kemiska 10 15 20 25 , u . a n u' o u u. u " _ . ' . . s n f s .I -v v. v . , , - . - . . » n I ' ' a t I a . ~ u. u, :1 I ' ' ' n u I 1 0 n I i *f ',,',: , Q « | u « nu «nn-n| I 10 n s n Pl704 sammansättningen hos pulverblandningama, kemiska reaktioner mellan ingående element under smältfassintringen, samt upptagning eller avgång av lätta element under malningen och sintringen. Sålunda kan kol ha tagits upp vid sintringen fiån värmeelement av grafit. Även syre kan tas upp från omgivningen liksom kväve under malningsprocessen. Vid smältfassintringen inlöses olika element vidare i den smälta fasen och införlivas i MX-fasen, så att M icke uteslutande kommer att utgöras av titan utan i någon grad även av vanadin och andra metaller från basmetallen ASP 203 0®. En mindre del titan torde även inlösas i smältan, ehuru lösligheten för titan är låg. Utan att binda uppfinningen vid nägra speciella teorier kan det antas att reaktionskinetiken är förhållandevis låg, åtminstone vid vissa av legeringama, vilket är gynnsamt eftersom det gör det möjligt att utföra smältfassintringen vid hög temperatur under lång tid utan att karbidema förgrovas i Oacceptabel grad. Kol kan anses befrämja vätningen mellan hårdfasen och smältafasen, men en viss mängd kväve synes också vara nödvändig i hårdfasen för att stabilisera denna och även för att medge ett upptag av syre, genom att syret ersätter en del kol och/eller kväve i hårdfasens kristall gitter. Förekommande MÖC- karbider bedöms också gå in i smältan vid sintringen och vid stelnandet bilda ett nätverk runt M (C, N, 0)- partiklarna, en effekt som kan minimeras t.ex. genom val av lämplig basmetall med lägre halt av W och Mo.

För att utreda betydelsen av den kemiska sammansättningen hos främst hårdfas- partiklarna har den kemiska sammansättningen i hårdfasen, och även i matrixlegeringen, studerats med hjälp av olika tekniker. Tillämpad teknik var EDS-analys (Energy Dispersive Spektroscopy) samt Thermo-Calc-beräkning. I Tabell 6 och 7 anges de sålunda enligt Therrno-Calc-beräknade sammansättningama for hårdfasen och för matrix för några valda legeringar sintrade vid l480°C vid härdningstemperaturen l180°C. I Therrno-Calc-beräkningama har syrehalten icke beaktats. Denna beräknas vara försumbar i matrix men i hårdfasen uppgå till cirka 4 atom-% av totala halten av C+N+O i hårdfasen. 5 10 15 20 524 5831 P17o4 1 E 3": Tabell 6 Beräknad kemisk sammansättning hos hårdfasen i smältfassintrade prover, atom-%, samt förhållandet i hårdfasen N +C Legering Ti V Cr Fe Co Mo W C Si N N nr %%%%%%%%%%N+C 69 45,7 3,30 0,33 0,43 spår 0,76 0,75 39,3 spår 9,41 0,19 70 45,6 3,25 0,27 0,99 spår 0,27 0,28 33,4 spår 15,9 0,32 71 46,5 3,01 0,08 0,93 spår 0,05 0,05 27,3 spår 22,1 0,45 72 46,2 2,61 0,03 1,48 spår 0,01 0,01 18,7 spår 30,9 0,62 73 46,7 2,17 0,01 1,53 spår spår spår 14,0 spår 35,6 0,72 Tabell 7 Beräknad kemisk sammansättning hos matrix i smältfassintrade prover, atom-% Legering Ti V Cr Fe Co Mo W C Si N nr %%%%%%%%%% 69 spår 0,14 4,24 80,7 8,76 1,86 0,92 1,79 1,29 spår 70 spår 0,15 4,27 79,7 9,06 1,65 0,84 2,65 1,33 spår 71 spår 0,37 4,47 80,2 9,03 1,90 1,03 1,30 1,33 spår 72 spår 0,65 4,56 80,0 9,08 1,98 1,07 1,02 73 spår 1,06 4,59 79,7 8,94 2,24 1,22 0,61 1,31 spår 1,29 spår Genom studier av de mikrostrukturer som visas i F ig. 1-5 och med ledning av de kemiska sammansättningarna hos hårdfasen enligt Tabell 6 kan den konklusionen dras att hårdfasen bör ha balanserade halter av kol och kväve, uttryckta i atom-%, såsom även angetts i den inledande redogörelsen för uppfinningen liksom i patentkraven.

Fig. 1 visar att legering 69, erhåller en mycket god homogenitet och med hårdfaspartiklar som är i medeltal ca 0,8 um stora och med endast enstaka partiklar med storlekar överstigande 1 um genom sintring vid l480°C, men att homogeniteten blir allt sämre och hårdfaspartiklarna allt mindre ju större kväveandelen är i hårdfasen, vilket illustreras av F ig. 4-5. För att testa om homogeniteten hos ett prov i vilket hårdfasen innehåller ungefär lika mycket kväve som kol undersöktes prover av legering 71 efter smältfassintring vid varierande temperaturer mellan 1350 och l540°C. Även ett HIP-at prov av denna legering studerades. De resulterande mikrostrukturema visas i Fig. 6-l 1.

Mikrostrukturen efter sintring vid l480°C har visats i F ig. 3. Av F ig. 6 framgår att strukturen efter sintring vid 1350°C vari det närmaste lika inhomogen som efter HIP- 10 15 20 524 583 12 . . ~ . n» Pl704 ning, Fig. 11, men att den genom sintring vid en temperatur överstigande 1480°C fick god homogenitet med mycket jämnt dispergerade hårdfaspartiklar med partikelstorlekar väl understigande 1 pm, såsom visas i Fig. 9 och 10.

En god homogenitet befrämj as enligt ovan av ett enligt uppfinningen reglerat förhållande C N . Detta framgår av Tabell 6 och Tabell 8. Den senare tabellen visar + även att ökad sintringstemperatur effektivt förbättrar mikrostrukturens homogenitet, om det enligt uppfinningen gällande förhållandet CNN är uppfyllt. Tabell 8 visar den + sammanlagda ytan hos större områden i procent av en studerad yta av ett snitt genom materialet, vilka större områden saknar de iakttagbara partiklar av nämnda MX-fas, och hade en längd av minst 6 d i områdets längsta utsträckningsriktning, en bredd, i något parti av området, av minst 6 d i en riktning tvärs nämnda längsta utsträckning, och en yta av minst 9 ndz, där d är medelvärdet på storleken hos hårdfaspartiklama av MX-typ i partiklarnas längsta utsträckning i det betraktade snittet. Förekomsten av sådana större ”tomma” områden kan endast delvis tillskrivas otillräcklig malning före sintringen, ehuru särskilt malningen av legeringsmetallen, som i exemplen utgjordes av snabbstålet ASP 2030®, bedöms vara av särskild betydelse. Om denna är otillräcklig kan man befara att homogeniteten genom sintringen inte blir tillräcklig även om villkoret för är C + N uppfyllt och sintringstemperaturen höjs till maximalt möjlig nivå. I Tabell 8 har även resultat för HIP-at material infogats.

Tabell 8 Andel större områden utan iakttagbara MX-fas partiklar i % av total studerad yta Legering nr 69 70 71 72 73 HIP/Sintringstemperatur % % % % % °C HIP 39 33 38 42 42 1350 30 33 33 1380 28 20 32 1400 7 16 1430 <5 10 25 1480 <5 <5 20 23 32 1510 <5 17 21 1 540 <5 13 1 1 10 15 20 25 30 35 524 585 P17o4 i 13 a . . u « a -n De prover som framställdes i försöksserie IV utsattes även för mekaniska tester. Efter härdning genom upplösningsbehandling vid ll80°C, avkylning till rumstemperatur samt anlöpning tre gånger vid 560°C, varje gång under l timme, uppgick hårdheten vid tester utförda enligt Vickers hårdhetsmätning till mellan ca 1080 och 1180 HV30, då proverna hade nominell sammansättning. Upptag av kol och kväve gav för vissa legeringar hårdhetsökning upp till mellan 1250 och 1300 HV30.

Segheten kvantifierades inte i absoluta tal vid seghetsmätningar. Vid jämförelse med prover som framställts genom HIP-ning kunde emellertid ingen systematisk skillnad mellan HIP-ade prover och prover som smältfassintrats enligt uppfinningen noteras.

DISKUSSION Som framgår av föregående redovisning av utförda försök har i försöksserie IV noterats mycket goda resultat som erhållits då man som utgångsmaterial använt pulver- blandningar innehållande titankarbid och titannitrid och i övrigt reglerat processen så att innehållet av kol i den erhållna hårdfasen uppnått de balanserade relationer som angetts i det föregående. Även malningens och sintringstemperaturens betydelse för att åstadkomma önskad mikrostruktur har behandlats. Däremot har betydelsen av matrixlegeringens sammansättning inte närmare analyserats. Som baslegering har i pulverblandningen använts ett snabbstål av typ ASP 203 0®. Detta stål ger en grundmassa (matrix) i den färdiga produkten, vilken grundmassa kan härdas till en hårdhet 2 500 HV 30. Det är dock inte säkert att den kemiska sammansättningen hos detta snabbstål är den mest lämpade för att i kombination med övriga tillsatser i pulver blandningen ge en matrix med optimal kemisk sammansättning, Till exempel innehåller ASP 2030® en förhållandevis hög halt av metaller som kan bilda MóC-karbider.

Visserligen kan dessa upplösas vid smältfassintringen enligt uppfinningen, men kan återbildas i matrix och/eller på M(C, N)- eller M(C, N, O)-faspartiklama, vilket kan vara ogynnsamt. I stället för ASP 203 0® kan därför ett snabbstål med lägre halt av W och Mo vara mer lämpligt. Även andra stållegeringar är tänkbara, snabbstål såväl som andra härdbara stål, t.ex. kallarbetsstål. F öreträdesvis bör som baslegering dock användas ett stål, som i kombination med övriga ingredienser ger en matrix i det färdiga materialet, vilken grundmassa kan härdas till en hårdhet 2 500 HV 30 efter anlöpning. Även innehållet av hårdfas i pulverblandningen kan varieras. Förutom titankarbid- titarmitrid- och/eller titankarbonitridpulver kan man, åtminstone för vissa applikationer, sålunda tänka sig måttliga tillsatser av andra karbider eller nitrider av MX-typ, såsom VC, NbC, TaC, ZrC, HfC, och/eller (HfTi)C och motsvarande nitrider, dock max 30 i524 sas P1704 14 mol-% räknat på den totala mängden erhållen hårdfas av MX-typ i den färdiga produkten. En fördel med att t.ex. stimulera bildandet av blandkarbonitrider i vilka en signifikant mängd vanadin ingår, kan vara att bildandet av ett tätt material påskyndas även vid sintring vid relativt låg temperatur, vilket skulle kunna motivera tillsättandet av en viss mängd VC i pulverblandningen eller en högre halt vanadin i legeringsmetallen.

T.ex. niobkarbid i pulverblandningen skulle vidare kunna stimulera malningen. Man kan även tänka sig att blandkarbonitrider blir hårdare än rena titankarbonitrider eller titankarbonitridoxider, vilket skulle kunna öka den framställda metallproduktens hårdhet.

Claims (33)

10 15 20 25 30 524 583 Pl704 _ 15 ; . u - - .- PATENTKRAV

1. l. Sammansatt metallprodukt, k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller 30-90 vol-% av en hårdfas som har formen av väsentligen runda partiklar av huvudsakligen M(C,N)- karbonitrid eller M(C,N,O)-karbonitridoxid, gemensamt benämnda hårdfas av MX-typ, där M till minst 50 atom-% utgörs av titan och atomprocentförhållandet mellan C och N skall tillfredsställa villkoret 0.1 < < 0.7, vilka partiklar är väsentligen homogent C + N dispergerade i en matrix av härdbart stål.

2. Produkt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att atomprocentförhållandet mellan C och N i nämnda hårdfas av MX-typ skall tillfredsställa villkoret 0.2 < < 0.6. C+N

3. Produkt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att atomprocentfórhållandet mellan C N <0.6. C+N och N i nämnda hårdfas av MX-typ skall tillfredsställa villkoret 0.3 <

4. Produkt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda atomprocentfiírhållandet N mellan C och N i nämnda hårdfas av MX-typ skall tillfredsställa villkoret 0.4 < C N + < 0.5.

5. Produkt enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a d av att 90 % av antalet av nämnda hårdfaspartiklar har en storlek vars längsta utsträckning understiger 1 um i ett betraktat snitt av produkten.

6. Produkt enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att högst 10 % av ett snitt genom produkten består av områden med en längd av minst 6 d i områdets längsta utsträckningsriktning, en bredd, i något parti av området, av minst 6 d i en riktning tvärs nämnda längsta utsträckning, och en yta av minst 9 ndz, där d är medelvärdet på storleken hos hårdfaspartiklarna av MX-typ i partiklamas längsta utsträckning i det betraktade snittet, vilka områden saknar hårdfaspartiklar av MX-typ.

7. Produkt enligt något av kraven l-6, k ä n n e t e c k n a d av att högst 0.5 % av ett snitt genom produkten består av områden med en längd av minst 8 um i områdets längsta utsträckningsriktning, en bredd, i något parti av området, av minst 8 um tvärs nämnda längsta utsträckningsriktning, och en yta av minst 50 umz, vilka områden saknar hårdfaspartiklar av MX-typ. 10 15 20 25 30 35 524 583 . . . ~ . en Pl704

8. Produkt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att M i nämnda hårdfas till minst 70 atom-% utgörs av titan.

9. Produkt enligt något av kraven 1-7, k ä n n et e c k n a d av att M i nämnda hårdfas av MX-typ till max. 30 atom-% består av en eller flera av de metaller som tillhör gruppen V, Nb, Ta, Hf och Zr.

10. Produkt enligt något av kraven 1-9, k ä n n e t e c k n a d av att M i nämnda hårdfas till minst 80 atom-% består av Ti.

11. ll. Produkt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av att M i nämnda hårdfas till minst 90 atom-% består av Ti.

12. Produkt enligt något av kraven 1-11, k ä n n et e c k n a d av att M i nämnda hårdfas av MX-typ till minst 5 atom-% består av V.

13. Produkt enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d av att M i nämnda hårdfas till max. 15 atom-% består av V.

14. Produkt enligt något av kraven 1-13, k ä n n e t e c k n a d av att M i nämnda hårdfas till minst 5 atom-% består av Nb.

15. Produkt enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a d av att M i nämnda hårdfas till max. 15 atom-% består av Nb.

16. Produkt enligt något av kraven 1-15, k ä n n e t e c k n a d av att M till max. 3 atom- % består av Ta, till max. 3 atom-% av Zr och till max. 3 atom-% av Hf.

17. Produkt enligt krav 16, k ä n n et e o k n a d av att nämnda hårdfas icke innehåller Ta, Zr eller Hf över fóroreningshalt.

18. Produkt enligt något av kraven 1-17, k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller 30- 70 vol-% av nämnda hårdfas av MX-typ.

19. Produkt enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller 40-60 vol-% av nämnda hårdfas av MX-typ. 10 15 20 25 30 35 524 583 17 . . Q Q n P1704

20. Produkt enligt något av kraven 1-19, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda hårdfas av MX-typ innehåller syre i en halt av 0.01 -4 atom-% av den totala halten av C+N+O i hårdfasen.

21. Produkt enligt något av kraven 1-20, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda matrix jämte i matrixen förekommande, sekundärt utskiljda MC-karbider samt hårdfas av annan typ än MX-typ har följande kemiska sammansättning i vikts-%: 0.3-3.0 C från spår till max 2 Si från spår till max 2 Mn från spår till max 0.5 S 2-13 Cr från spår till max 18 W från spår till max 12 M0 från spår till max 15 Co från spår till max 10 V från spår till max 2 Nb rest Fe, dock minst 50 vikts-% Fe, samt normalt förekommande föroreningar från stålets tillverkning.

22. Produkt enligt krav 20, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda matrix jämte i matrixen förekommande, sekundärt utskilj da MC-karbider samt hårdfas av annan typ än MX-typ har en kemisk sammansättning som innehåller i vikts-%: max 1 Si, 3-10 Cr, och att (W+Mo+V) uppgår till minst 10 vikts-%.

23. Produkt enligt krav 22, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda matrix jämte i matrixen förekommande, sekundärt utskiljda MC-karbider samt hårdfas av annan typ än MX-typ har en kemisk sammansättning som innehåller 3-7 Cr och 10-20 (W+Mo+V).

24. Sätt att tillverka en sammansatt metallprodukt som innehåller 30-90 vol-% av en hårdfas som har formen av väsentligen runda partiklar av huvudsakligen M (C, N)- karbonitrid eller M (C,N,O)-karbonitridoxid, gemensamt benämnda hårdfas av MX-typ, vilka partiklar är väsentligen homogent dispergerade i en matrix av härdbart stål, k ä n n e t e c k n at av att en pulverblandning innehållande dels pulver av titankarbid, titarmitrid och/eller titankarbonitrid i så stor mängd att dess innehåll av titanatomer motsvarar minst 50 % av metallatomema i nämnda hårdfas av MX-typ i den slutliga 10 15 20 25 30 524 583 P1704 18 metallprodukten, dels åtminstone huvuddelen av övriga beståndsdelar i den färdiga produkten, mals tillsammans, att av den malda produkten formas en kropp som smältfassintras vid en temperatur mellan 1350- l600°C och därefter avkyls så att smältfasen bringas att stelna, varvid under nämnda smältfassintring och efterföljande stelning nämnda hårdfaspartiklar av MX-typ får sin slutliga sammansättning och storlek.

25. Sätt enligt krav 24, k ä n n et e c k n a t av att mängden kol och kväve regleras under den integrerade process som innefattar val och blandning av pulver, malning av pulverblandningen, formning av presskroppar av det malda pulvret samt smältfassintring, så att mängden kol och kväve i atom-% i nämnda hårdfas i den färdiga < 0.7. produkten tillfredsställer förhållandet 0.1 < C + N

26. Sätt enligt krav 25, k ä n n et e c k n at av att mängden kol och kväve regleras under den integrerade process som innefattar val och blandning av pulver, malning av pulverblandningen, formning av presskroppar av det malda pulvret samt smältfassintring, så att mängden kol och kväve i atom-% i nämnda hårdfas i den färdiga < 0.6. produkten tillfredsställer förhållandet 0.2 < C + N

27. Sätt enligt krav 26, k ä n n e t e c k n at av att mängden kol och kväve regleras under den integrerade process som innefattar val och blandning av pulver, malning av pulverblandningen, forrnning av presskroppar av det malda pulvret samt smältfassintring, så att mängden kol och kväve i atom-% i nämnda hårdfas i den färdiga N < 0.6. produkten tillfredsställer förhållandet 0.3 < C + N

28. Sätt enligt krav 27, k ä n n e t e c k n at av att mängden kol och kväve regleras under den integrerade process som innefattar val och blandning av pulver, malning av pulverblandningen, formning av presskroppar av det malda pulvret samt smältfassintring, så att mängden kol och kväve i atom-% i nämnda hårdfas i den färdiga produkten tillfredsställer förhållandet 0.4 < < 0.5. C+N

29. Sätt enligt något av kraven 24-28, k ä n n e t e c k n a t av att pulverblandningen utförs med en energiinsats av minst 10 MJ (megajoule)/kg pulver. 10 524 ses P1704V i 19 a . , - : n nu

30. Sätt enligt krav 29, k ä n n e t e c k n a t av att malningen av pulverblandningen utförs med en energiinsats av minst 20 MJ /kg pulver.

31. Sätt enligt krav 29 eller 30, k ä n n e t e c k n at av att malningen av pulverblandningen utförs med en energiinsats av 10-50 MJ /kg pulver.

32. Sätt enligt något av kraven 24-31, k ä n n e t e c k n at av att mängden syre regleras under den integrerade processen så att mängden syre i den slutliga produkten uppgår till 0.01 -4 atom-% räknat på den totala halten av C+N+O i hårdfasen.

33. Sätt enligt något av kraven 24-32, k ä n n e t e c k n at av att smältfassintringen utförs vid en temperatur av 1450-1510°C under en hålltid av 10 minuter till 2 timmar vid sintringstemperaturen, företrädesvis under en hålltid av 10-60 minuter.