SE526805C2

SE526805C2 - Stållegering

Info

Publication number: SE526805C2
Application number: SE0400806A
Authority: SE
Inventors: Jonas Nilsson; Andreas Rosberg
Original assignee: Sandvik Intellectual Property
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-11-08
Also published as: WO2005093112A1; ATE471392T1; SE0400806D0; DE602005021872D1; SE526805C8; EP1735478A1; CN1918315A; CN100463996C; JP2007530784A; AU2005226606B2; EP1735478B1; AU2005226606A1; SE0400806L; US20070274855A1

Description

20 O M UI OO I IOO I OO O O OIO OOOO O O O OO OO OO O I O I O OO I I O O OO OO ";30 0000 OOO O O O O 5.6 805 ten, att karbonitrider (gäller även slagger och inneslut- ningar), med en diameter större än 10 um, ger urflisningar och eggskador, varvid eggens initialskärpa drastiskt för- sämras. För tillverkning av eggar genom etsning är kraven än större. Vid fotoetsning, som lämpar sig för tillverkning av invecklade detaljer i tunna material, skyddas delar av materialytan med en skyddsfilm. På de områden som är oskyd- dade tillåts etsmedlet (exempelvis en blandning av HCl och FeCl3), som sprayas på ytan, göra en kemisk bearbetning. På grund av de olika elektrokemiska egenskaperna hos grundmas- san och karbonitriderna, kommer etsningen att påskyndas i gränsen mellan grundmassa och karbonitrid. Detta medför att karbonitriderna riskerar att etsas ur materialet. För att detta fenomen inte skall påverka den färdiga produkten ne- gativt, kan inga karbonitrider med en diameter större än 5 um tillåtas i materialet. En vanlig orsak till stora kar- bonitrider är legeringstillsatser av mycket starka karbid- bildare som till exempel vanadin, varför denna typ av lege- ringsämnen måste undvikas. En annan orsak till stora karbo- nitrider är dålig processkontroll vid gjutning och varmbe- arbetning av materialen. Stora (ø > 10 um) karbonitrider, framförallt kantiga primärkarbider formade vid gjutningen, begränsar även möjligheten att polera materialet spegel- blankt.

Vid korrosionsangrepp pá martensitiska rostfria krom- stål så är de oftast av typen punktkorrosion (pitting). De tre viktigaste legeringselementen för att kontrollera denna korrosionstyp är krom, molybden och kväve. Ett ofta använt mått pà motståndet mot punktkorrosion är PRE-värdet (Pit- ting Resistance Equivalent), % Mo + 16 ° % N. Erfarenheten säger att PRB = % cr + 3,3 - PRE-värdet enligt ovan skall vara över 25 för martensitiska 5 10 15 20 25 30 I o CCI O IOCQ ICO 5 2 f, g g 5 ä-*i -.I? ~ Lzf 3 kromstål för att tillräcklig korrosionsbeständighet skall uppnås i en miljö med kloridjoner.

Ett ytterligare krav på materialet enligt föreliggande uppfinning är att det på ett kostnadseffektivt och kvali- tetssäkert sätt skall kunna härdas genom en kontinuerlig process (bandbredder upp till 1000 mm och bandtjocklekar ner till 15 um) inkluderande ugn för austenitisering, släckning i form av till exempel kylplattor för omvandling till martensit och slutligen en ugn för anlöpning. Vid austenitiseringen löses karbonitriderna i materialet upp till viss del och halterna av legeringselement stiger i matrisen. För att denna upplösning Skall Ske jämnt (möjlig- gör goda formtoleranser) och inom kort tid (hög produktivi- tet) krävs att karbonitriderna är små till storleken (ø < 5 um) och dessutom att storleksfördelningen är jämn, vilket styrs genom en noggrant kontrollerad tillverknings- process. Tillverkningsprocessen för materialet inkluderar smältning av råvaror i ljusbàgsugn alternativt högfrekven- sugn. Kolhalten i materialet kan styras genom val av räva- ror eller genom färskning antingen i AOD (Argon Oxygen De- carburization), CLU (Creusot Loire Uddeholm) eller annan raffineringsprocess. Som ett alternativ kan materialet om- smältas i en sekundär metallurgisk process såsom VIM (Vacuum Induction Melting), VAR (Vacuum Arc Remelting), ESR (Electroslag Remelting) eller motsvarande. Gjutning kan ske på traditionellt sätt till göt eller genom stränggjutning.

En första kraftig reduktion görs i varmt tillstànd, varef- ter materialet sfärodiseringsglödgas. Kallvalsning sker därefter i flera steg med mellanliggande glödgningsopera- tioner. Materialet kan levereras till kund antingen i kall- valsat, glödgat eller härdat och anlöpt utförande. Det rostfria martensitiska kromstålet enligt ovan har fördelar framför austenitiska material för tillverkning av detaljer 00 c 0 I n I I 1010 bonoﬁb 0 0 0 ononco 10 15 20 00 N U'1 in DJ CA CO CD LN genom fotokemisk bearbetning. Dessa fördelar är bland annat att materialet efter härdning har en mycket bra planhet och är i det närmaste spänningsfritt. Materialet tillåter även en bra produktivitet för denna typ av bearbetning.

För att kunna uppfylla ovanstående krav och samtidigt producera ett färdigt material i bandform pà ett kostnad- seffektivt sätt krävs en mycket noggrann optimering av framförallt legeringselement, men även processparametrar.

För att produktionskostnaden skall hamna pà en rimlig nivå krävs att materialet kan tillverkas genom en normal (icke trycksatt) metallurgisk process. Detta ger en praktisk be- gränsning i kvävehalt på maximalt 0,20 vikt-%, vid en väl- kontrollerad process. Kvävehalten skall därför ligga mellan 0,15 - 0,20 vikt-%. Hàrdheten på materialet i härdat utfö- rande bestäms i huvudsak av halten (kol + kväve) vikt-% och för att en hårdhet på över 56 HRC skall kunna uppnås utan djupkylning, med tillräcklig kvarvarande volymfraktion av karbonitrider för skärpevaraktigheten, måste denna summa vara större än 0,55 vikt-%, förutsatt att höga halter före- ligger av karbonitridbildare som krom och molybden. Detta medför att kolhalten måste vara över 0,40 vikt-% och att kvoten kol genom kväve blir större än 2. Med denna relativt höga kolhalt måste kolaktiviteten begränsas för att undvika bildning av primärkarbider vid stelningen, vilket åstadkom- mes genom att hålla kiselhalten låg, inom intervallet 0,15 - 0,55 vikt-%. Vid härdningen austenitiseras materia- let vid 1000 - lO50°C för att sedan mycket snabbt (lämpli- gen i olja, mellan kylblock eller med tryckluft) kylas till rumstemperatur. En anlöpning görs vid runt 200°C för att uppnå en hårdhet > 56 HRC. Med djupkylning före anlöpning till - 80°C kan en ytterligare hàrdhetsökning pà runt 2 HRC uppnås. 00 0000 00 0 O I I I I I 0 0 0 0 0 0 000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0000 0 0 0 IC CO 0 0 0 0 0 I O 0 0 10 15 20 00 00 I 00 0000 000 I 00 k) U'I Krom måste tillsättas materialet i tillräcklig mängd för att bilda en korrosionsskyddande oxidfilm på materialy- tan, men vid höga kromhalter uppkommer återigen risken för bildandet av stora primärkarbider, vilket måste undvikas.

Kromhalten skall därför hållas mellan 14-15 vikt-%. Mo- lybden tillsätts sedan i tillräcklig mängd för att ge ett PRE > 25, alltså mer än 2,6 vikt-% molybden. Vid höga till- satser av molybden och kväve riskerar man att varmbearbet- ningsegenskaperna för materialet försämras och för att be- gränsa denna risk så skall andra element med liknande ef- fekt hållas på en minimal nivå - halten av koppar måste till exempel hållas under 0,1 vikt-%. Nickel och kobolt är dyra legeringsämnen som är stabila i en normal metallurgisk process, vilket betyder att halterna ackumuleras över tiden vid returstàlsbaserad stâltillverkning. För rostfria stål finns det begränsningar vad gäller nickelhalten på max l % för att materialet inte skall klassas som potentiellt can- cerframkallande och allergiframkallande enligt EU-direktivet 99/45/EC varför denna halt har satts som max- halt vad avser nickel för legeringen enligt patentet. Före- trädesvis tillsätts inte nickel aktivt i materialet och nickelhalten bestäms till max 0,7 % för att undvika den austenitstabilisering som annars blir följden. Maxhalten av kobolt har satts till 4 %, dels av kostnadsskäl men även för att undvika en alltför snabb ackumulering av kobolt i returstàlshanteringen beroende på att ämnet normalt sett ses som ett föroreningsämne i rostfria stål, framförallt inom kärnkraftsindustrin. Företrädesvis tillsätts inte ko- bolt aktivt i materialet och kobolthalten sätts till max 0,5 %, trots ämnets höjande inverkan på martensitbildnings- temperaturen. En tillsats av kobolt kan alltså förskjuta fasomvandlingen vid kylning efter härdning mot mer marten- sit. 00 0000 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000 0 0 0 0 0 000 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0000 00 0 0 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 15 20 CH RJ Ch GI) LN Vid ett betraktande av dagens standardmaterial konsta- teras att det är väldigt få som uppfyller kravet PRE > 25 i kombination med HRC > 56. Lägger man till kravet med karbo- nitrider ø < 5 um så finns det inga standardmaterial som uppfyller dem. Material av typen AISI 440 C uppfyller till exempel bara kravet pà hårdhet. För att uppfylla kraven på PRE-värde och karbonitrider enligt ovan så finns det bara austenitiska och duplexa material att tillgå, men hos dessa är dock hårdheten och skärpevaraktigheten otillräcklig.

Vid en genomgång av andra patentskrifter inom detta område, har i synnerhet följande fyra beaktats.

DE-A-39 01 470 beskriver ett material lämpat för bland an- nat rakblad och knivar. Patentet föreskriver dock en tryck- satt metallurgi för att uppnå kvävehalter över 0,20 vikt-% och därmed maximalt dubbelt så hög halt av kol som av kvä- ve. Vidare anges två försökslegeringar, båda med hårdheter under 600 HV. Patentet föreskriver också tillsatser av va- nadin i låga halter. Materialet kommer därför inte att upp- fylla ovan nämnda krav på hårdhet och undvikande av lege- ringselementet vanadin, och dessutom kommer tillverknings- kostnaden att bli mycket hög. Enligt EP-A-638 658 används vanadin för att uppnå ett kraftigt sekundärhårdnande vid anlöpning till höga temperaturer, vilket kan vara en fördel till exempel om materialet skall beläggas eller användas vid höga temperaturer. Detta är dock förkastligt om materi- alet skall etsas till färdig form eller användas för att producera mycket skarpa eggar, enligt ovan. Patentet anger 40 um som största tillåtna storlek på karbonitrider till skillnad mot de 5 pm som anges som maxgräns enligt förelig- gande uppfinning. EP-A-750 687 anger maxhalten (kol + kvä- ve) till 0,55 vikt-%, vilket enligt föreliggande uppfinning bedöms vara minimal halt för att uppnå tillräcklig hårdhet.

Detta bekräftas genom att målet vad avser hårdhet i EP- IQ o!! QIO olio 10 15 20 00 00 0000 :G0 Û I 00 I\J U1 5 2 5 3 0 5 i ° -JÉ ' Iaf :zšs ' l skriften är HRC > 50 och att den försökslegering som uppnår den högsta hårdheten när 56,3 HRC (detta efter anlöpning under 1 timme vid endast 180°C). Denna begränsade hårdhet i kombination med liten del kvarvarande karbonitrider kommer att ge en otillräcklig skärpevaraktighet för eggapplikatio- ner med höga krav. Patentskriften riktar sig också främst mot artiklar med extremt höga krav pà korrosionsbeständig- het, varvid även koppar har tillsatts, varför hårdheten och varmbearbetbarheten eftersatts. Vad gäller patentskriften US-A-6 235 237, vilken framförallt avser stàlkanter för skidor med krav på dämpning, så ger kombinationen av hög kromhalt, làg molybdenhalt och låg kvävehalt en hårdhet un- der 50 HRC enligt exemplen i patentskriften, och därmed otillräcklig skärpevaraktighet för eggapplikationer med hö- ga krav.

Ett första syfte med föreliggande uppfinning är såle- des att framtaga en ny stàllegering, som övervinner samtli- ga ovannämnda olägenheter hos känd teknik.

I synnerhet är syftet med föreliggande uppfinning att framtaga en stàllegering som uppvisar en hårdhet på minst 56 HRC, har utmärkt korrosionsbeständighet och kan bearbe- tas medelst fotoetsning.

Dessa och ytterligare syften har på ett för fackmannen överraskande sätt lyckats uppnås genom att framtaga en stàllegering enligt följande sammansättning (i vikt-%): c 0,40 - 0,60 si 0,1 - 1,0 Mn 0,3 - 1,0 cr 12 - 15 Mo 2,5 - 4,0 Ni 0 - 1,0 cø 0 - 4,0 N 0,15 - 0,20, 000000 10 15 20 oo o con . . en NJ UT to al I O O Old noen I 0 n PD C\ C “05 LH varvid hårdheten > 56 HRC uppnås utan djupkylning, samt PRE > 25, definierat som PRE = % Cr + 3,3 ° % Mo + 16 - % N. Balansen för att uppnå 100% utgörs av järn med däri naturligt förekommande förore- ningar. Företrädesvis beaktas att maximal storlek på karbo- nitrider är ø < 5 um, Företrädesvis uppvisar stållegeringen enligt förelig- gande uppfinning följande sammansättning (i vikt-%): C 0,42 - 0,60 Si 0,15- 0,80 Mn 0,4 - 0,8 Cr 13 - 15 Mo 2,6 - 4,0 Ni 0 - 0,7 CO 0 - 0,5 N 0,15 - 0,20, samt resten Fe med däri naturligt förekommande förorening- ar. Än mer föredraget uppvisar stållegeringen enligt före- liggande uppfinning följande sammansättning (i vikt-%): C 0,42 - 0,50 Si 0,15- 0,55 Mn 0,4 - 0,7 Cr 14 - 15 Mo 2,6 - 3,0 Ni 0 - 0,7 Co 0 - 0,5 N 0,15 - 0,20, samt resten Fe med däri naturligt förekommande förorening- ar.

Material tillverkat enligt patentet lämpar sig speci- ellt väl för användning i applikationer som till exempel knivar i livsmedelsindustrin med höga krav på hårdhet och II O U OO 00 0 0 00 0 U i 0 I 0 01 I n 000 0000 000 0 0 0 0 0 0 0 01 00 00 00 h) O 10 15 20 l\) U'| 01 RJ ~& Ch skärpevaraktighet i kombination med korrosionsbeständighet på grund av kloridjonhaltig miljö samt korrosiva diskmedel.

Andra områden är skärande eggar för torr- och våtrakning, kirurgiska eggapplikationer samt dykarknivar. Ytterligare användningsområden för det nya materialet är till exempel raklar i tryckeriindustrin samt schabrar i pappersmassain- dustrin.

Val av tillverkningsväg för materialet beror bland an- nat på önskad materialvolym, maximal tillåten tillverk- ningskostnad och krav på slaggrenhet. Kundkrav som härdat och anlöpt respektive kallvalsat utförande påverkar natur- ligtvis ocksâ. Tillverkningen kommer dock alltid att inne- fatta en metallurgisk process vid normalt atmosfärstryck (1 atm = 1 bar). Den metallurgiska processen innefattar smältning i ljusbàgsugn eller högfrekvensugn. Kolhalten justeras antingen genom val av legeringsämnen eller genom färskning i AOD eller CLU eller annan raffineringsprocess.

Kvävehalten justeras antingen genom tillförsel i gasform eller genom användning av kvävehaltiga legeringsämnen. Som ett alternativ kan materialet omsmältas i en sekundär me- tallurgisk process såsom VIM, VAR, ESR eller motsvarande.

Gjutning kan ske till göt eller via stränggjutning, varef- ter varmbearbetning vidtar ner till bandform. Efter varmbe- arbetningen sfärodiseringsglödgas materialet för att sedan kallvalsas i flera steg till önskad tjocklek med mellanlig- gande rekristallisationsglödgningar. Vid kundönskemål på ett härdat och anlöpt leveransutförande sker denna härdning i en kontinuerlig bandprocess i form av en austenitisering i skyddsatmosfär, en snabb kylning mellan kylplattor (för fasomvandling till martensit) och slutligen en anlöpning till önskad hårdhet. Materialet skärs sedan till önskade bredder eller klipps till plana längder beroende på kundens önskemål. Den slutliga produkten tillverkas normalt ur här- PJ Ö*- 000000 O 0 0 0 I! 000000 O 0 0 nl 00 anno 0 0 0000 IDO a 0 0 0000 0000 I 0:00 0 0 nota O O I I 0001 0 I u 0 1 0 I 00 IQ I 05 O O (_71 dat bandmaterial genom fotoetsning och formning alternativt ur kallvalsat bandmaterial genom stansning / skärning, formning, härdning, anlöpning och slutligen slipning. Man kan även tänka sig en försäljning av materialet i tràd, rör eller ämnesform. 0 J IQOOQQ

Claims

ﬂ Patentkrav

1. Stàllegering kännetecknad av att den har följande sammansättning i vikt-% C 0,40 - 0,60 Si 0,1 - 1,0 Mn 0,3 - 1,0 Cr 12 - 15 Mo 2,5 - 4,0 Ni 0 - 1,0 Co 0 - 4,0 N 0,15 - 0,20, med resten Fe samt normalt förekommande föroreningar, varvid hårdheten > 56 HRC, vilken skall kunna uppnås genom härdning utan djupkylning, samt PRE > 25, definierat som PRE = % Cr + 3,3 ° % Mo + 16 ° % N.

2. Stàllegering enligt krav 1, vari C = 0,42 - 0,60, företrädesvis 0,42 - 0,50 vikt-%.

3. Stållegering enligt krav 1 eller 2, vari Si = 0,15 - 0,80, företrädesvis 0,15 - 0,55 vikt-%.

4. Stållegering enligt något av kraven 1-3, vari Mn = 0,4 - 0,8, företrädesvis 0,4 - 0,7 vikt-%.

5. Stàllegering enligt något av föregående krav, vari Cr =13 - 15, företrädesvis 14 - 15 vikt-%.

6. Stållegering enligt något av föregående krav, vari Mo =2,6 - 4,0, företrädesvis 2,6 - 3,0 vikt-%. 526 805 /2

7. Stållegering enligt något av föregående krav, varvid stållegeringen innefattar karbonitrider vars maximala diameter ej överstiger 5 um.

8. Kniv, såsom kniv lämpad för livsmedelsindustrin, förskärare och liknande, kännetecknad därav, att den innefattar en stållegering enligt något av kraven 1-7.

9. Skäreggar för antingen torr eller våt rakning, kännetecknade därav, att de innefattar en stållegering enligt något av kraven 1-7.

10. Skärredskap för kirurgiska applikationer, såsom exempelvis en skalpell, kännetecknat därav, att det innefattar en stållegering enligt något av kraven 1-7.

11. Schaber eller rakel, kännetecknad därav, att den innefattar en stållegering enligt något av kraven l-7.