SE528454C3 - Utskiljningshärdbart martensitiskt rostfritt stål innefattande titansulfid - Google Patents

Description

egenskaper som krävs svåra att kombinera i ett enda material. Kolstål är, beroende på sin sammansättning, mer eller mindre formbara och kan med högre lwlhallef häfdas till en hög hårdhet. Det låga korrosionsmotståndet gör emellertid dessa stål omöjliga att använda i miljöer som till och med endast är svagt korrosiva- Fflffiïiskfi kmmstål kan uppvisa gott korrosionsmotstånd men kan inte härdas till en hög hållfasthet. Mar- tensitiska kromstål kan härdas men lider av låg duktilitet som begränsar dêfflS användning. Austenitiska rostfria stål är, beroende på sin sammansätülífigt ende” mjuka och duktila i glödgat tillstånd eller hårda och mindre duktila i kalldeformerat tiustånd. 1 de hårdare tilistanden är autentiska stål också mycket svåra att bearbeta- En ytterligare grupp är de utskiljningshärdbara rostfria stål som kan utformas i tämli- gen mjuka tillstånd och därefter legeringsbehandlas för att uppnå en hög hårdhet- Även denna grupp av stål är svårare att bearbeta j äinfórt med t ex gruppen av härdbara martensitiska stål.

Följaktligen finns det behov att förse marknaden med ett material som tillfredsställer ovanstående kriterier.

SAMMANFATTNING Ett utskiljningshärdbart rostfritt kromnickelstål beskrivs som har följande samman- sättning i viktprocent: C max 0,07 Si max 1,5 Mn 0,2-5 S 0,01-O,4 Cr 10-15 Ni 7-14 Mo l-ó Cu 1-3 Ti 0,3-2,5 Al 0,2-1,5 N max 0,1 återstoden Fe och nomialt förekommande föroreningar. 20 25 30 Det rostfria stålet hårdas vid en låg temperatur och har god bearbßtbflrhßï när det underkastas borrning, svarvning, fräsnirig och andra skärande operationer.

DETALIERAD BESKRIVNING För att helt förstå påverkan av sammansättningen på egenskapema hos det uppfunna utskiljriingshärdbara rostfria stålet är det nödvändigt att diskutera alla grundämnen individuellt. Alla grundämneshalter är i viktprocent.

Q är ett kraftfullt grundämne som påverkar stålet på många sätt. En hög kolhalt kommer att påverka deformationshärdningen på ett sådant sätt att hållfastheten vid kalldeformation kommer att vara hög och sålunda reducera stålets duktilitet. En hög kolhalt är även ofórdelaktig ur korrosionssynpunkt eftersom risken for utskiljning av krornkarbider ökar med ökande kolhalt. Kolhalten bör därför hållas låg, max 0,07 %, företrädesvis max 0,05 % och hellre max 0,025 %.

Kisel är ett ferritbildande grundärnne och kan även i högre halter reducera stålets varmbearbetningsegenskaper. Halten bör därför vara max 1,5 %, hellre max 1,0 %. _M¿a_nga_n är ett austenitbildande grundämne som på ett liknande sätt som nickel gör stålet mindre benäget till en martensitisk omvandling vid kalldeformation. halten av mangan hos stålet enligt uppfmningen är 0,2 vikt-%. Eftersom stålet måste ha en betydande halt av martensit för utskiljningshärdningen måste manganhalten vara max 5 %, företrädesvis max 3 % och helst 2,5 %. Mangan kommer att tillsam- mans med svavel bilda duktila icke-rnetalliska inneslutningar som exempelvis är fór- delaktiga för bearbetningsegenskapema. _S_y_a_v¿e_1 är ett grundämne som kommer att bilda sulfider i stålet. Sulfider är fördelak- tiga under bearbetning eftersom de kommer att verka såsom spånbrytare. Halten av svavel är därför min 0,01 % och hellre min 0,015 % och helst min 0.1 %. Sulfidema kan emellertid verka såsom svaga områden i stålet från en korrosionsmotståndssyn- punkt. Vidare kan höga halter av svavel även vara skadliga för varmbearbetnings- egenskaperna. Halten bör vara max 0,4 % och företrädesvis max 0,3 %. Enligt 10 15 20 25 30 f s rå (W- utv .Fn , W x på L: en utföringsforrn av uppfmningen är åtminstone en del av legeringens Svavel i fOHII av titansulfider.

Krom är väsentligt för korrosionsmotståndet och måste i stålet enligt uppfinningen tillsättas i en halt av åtminstone 10 %, eller hellre åtminstone 11,5 %. Krom är emel- lertid även en stark ferritbildare som i högre halter kommer att undertrycka martensit- bildningen vid deformation. Halten av krom måste därför begränsas till max 15 %, företrädesvis max 14 %.

Nigkçl tillsätts stålet enligt uppfinning för att balansera de ferritbildande gundämnßnfl för att erhålla en austenitisk struktur vid glödgning. Nickel är även ett viktigt grund- ämne för att mildra härdningen till följd av kalldeformation. Nickel kommer även att bidra till utskiljningshärdningen tillsammans med grundämnen så SOm iiïflll Och aluminium. Minirnihalten av nickel är därför 7 % eller hellre åtminstone 8 %. En alltför hög halt av nickel kommer att begränsa möjligheten att bilda martensit vid deformation. Nickel är även ett dyrt legeringsgrundämne. Halten av nickel är därför maximerad till 14 eller företrädesvis 13 %.

Molybden är väsentligt för stålet enligt uppfinningen, eftersom det kommer att bidra till stålets korrosionsmotstånd. Molybden är också ett aktivt grundämne under utskilj- ningshärdningen. Minimihalten är därför 1 % eller företrädesvis minst 2 % och helst minst 3 %. En alltför hög halt av molybden kommer emellertid att främja bildningen av ferrit till en halt som kan resultera i problem under varmbearbeming. Vidare kom- mer en hög halt av molybden även att undertrycka martensitbildningen under kallde- formation. Halten av molybden är därför maxirnerad till 6 % och hellre maximalt 5 %.

Vidare förväntas det att Mo delvis eller helt skulle kunna bytas ut mot wolfram enligt vanlig praxis som är känd för fackmannen medan legeringens önskade egenskaper fortfarande uppnås.

Koppar är en austenitbildare som tillsammans med nickel stabiliserar den austenitiska struktur som önskas. Koppar är även ett grundämne som ökar duktiliteten i måttfulla halter. Mimmiheiten är dann 1 % een hellre åtminstone 1,5 %. Å andra siden mins- kar koppar i höga halter varmbearbetbarheten varför kopparhalten är maximerad till 3 %, företrädesvis maximalt 2,5 %. 10 20 25 30 5 m är ett väsentligt legeringsgrundämne i uppfinningen av åtminstone två anled- ningar. För det första används titan såsom ett starkt grundämnfi för utskiljningshärdning och måste därför ingå för att ktmna hårda stålet för den slutliga hållfastheten. För det andra kommer titan att tillsammans med Svavel bilfla titansulfider (TiS). Titansulñder bildas på bekostnad av mangansulfidfll' (MDS) 0111 manganhalten hålls under ungefär 1,4 %. Vid högre manganhalter bildas MDS- Eftersom TiS är elektrokemiskt ädlare än MnS är det möjligt att uppnå förbättrade bearbetningsegenskaper utan försämring av korrosionsmotståndet som är normalfallet för automatstål som utnyttjar MnS för den ökade bearbetbarheten. Därför är minimihalten av titan 0,3 % och hellre 0,5 %. Alltför höga titanhalter kommer att främja ferritbildning i stålet och även öka sprödheten. Den maximala halten av titan bör därför begränsas till 2,5 % företrädesvis 2 % och helst inte mer än 1,5 %.

Aluminium tillsätts stålet för att förbättra härdningseffekten vid värmebehandlirig.

Aluminium är känt för att bilda intermetalliska föreningar tillsammans med nickel så som NigAl och NiAl. För att uppnå en god härdningsresultat bör minimihalten vara 0,2 % och helst min 0,3 %. Aluminium är emellertid en stark ferritbildare varför den maximala halten bör vara 1,5 % eller hellre max 1,0 %.

Kväve är ett kraftfullt grundärrme eftersom det kommer att öka deformationshärd- ningen samt att det kommer att stabilisera austeniten mot martensitomvandling vid kallforrrining. Kväve har även en hög affinitet till nitridbildare så som titan, alumi- nium och krom. Kvävehalten bör begränsas till maximalt 0,1 %, företrädesvis 0,07 % och helst max 0,05 %.

Föreliggande frarnställning kommer att nu beskrivas i närmare detalj med hjälp av några belysande exempel.

Exempel 1 Fem 270 kg smältor, med kemisk sammansättning enligt Tabell 1, smältes i en vaku- uminduktionssmältugn (VIM) och göts till göt om 9 in, dvs 229 mm. Legering 830207 är inkluderad såsom en referenslegering och utgör inte en del av föreliggande uppfinning. Göten smiddes till ämnen om 103 x 103 mm. Ämnena värmdes sedan upp till 1150 °C och varrnvalsades till 5,5 mm valstråd. Valstråden betades och drogs till 2,1 mm i en multiblockdragrnaskiri utan någon mellanglödgnixig. Draghållfastlieten i MPa som en fimktion av graden av areareduktion vid dragning av den varmvälsfidfi tråden i diameter 5,5 mm till diameter 2,1 mm framgår i Tabell 2. Dragprovningen gjordes utan någon värmebehandling och i enlighet med SS-EN10002-1.

Tabell 1. Kemisk sammansättning i viktprocent Lege- C Si Mn S Cr Ni Mo Ti Cu Al N fins 830207 0,012 0,25 0,51 0,0026 12,07 9,13 4,06 0,97 2,05 0,41 0,009 830208 0,011 0,21 0,53 0,015 12,18 9,10 4,04 0,76 2,05 0,34 0,018 830209 0,011 0,21 0,44 0,092 12,10 9,01 4,02 0,80 2,02 0,31 0,006 830210 0,016 0,15 2,43 0,017 12,12 9,13 4,07 0,91 2,01 0,38 0,014 830211 0,014 0,20 2,55 0,093 11,97 9,04 4,04 0,90 2,00 0,40 0,009 Tabell 2. Draghållfastlxet i MPa vid olika areareduktioner vid kalldragxiíng Tillstånd 830207 830208 830209 830210 830211 /legering vmsuåd 660 evo 660 640 670 25,1 % 850 850 870 905 900 42,5 1020 1025 1020 1 1 10 1070 55,5 1170 1180 1190 1230 1190 65,5 1320 1310 1300 1320 1290 72,6 1430 1405 1380 1410 1420 77,8 1500 1475 1435 1470 1420 82,5 1585 1550 1510 1530 1500 85,6 1650 1610 1575 1590 1540 528 fllíšéê Exempel 2 De dragna trådarna enligt Tabell 2 värmebehandlades vid 475 °C under 4 h och drag- provades för att utvärdera ökningen av mekanisk hållfasthet vid utskiljningshärdning s (PH). Dfagnåufesmexen efter värmebehmdung resulterande i utskiljningshärdninsßfl ses i Tabell 3.

Tabell 3. Draghâllfasthet i MPa efter nåddragning vid olika reduktion och påföljande utskiljningshärdning Tillstånd 830207- 830208- 830209- 830210- 830211- /legering PH PH PH PH PH Valstråd 664 675 658 670 669 25,1 % 1030 1070 1172 955 932 42,5 1550 1575 1630 1220 1187 55,5 1903 1895 1900 1440 1396 65,5 2115 2055 2045 1635 1590 72,6 2265 2200 2130 1795 1759 77,8 2330 2275 2212 1955 1898 82,5 2450 2350 2270 2105 2034 85,6 2560 Ej testat Ej testat 2200 2154 10 Exempel 3 Korrosionsmotståndet, hos legeringarna enligt Tabell 1, testades i utskiljningshärdat 15 tillstånd. Den kritiska gropfrämingstemperatliren (CPT = Qritical Bitting Tempera- ture) mättes i en 0,1 % NaCl-lösning. Spänningen hölls på 300 mV mot standardka- lomelelektrod (SCE = §tandard Qalomel Electrode). Efter slipning till kom 600 i ytfmhet testades 6 prover i diameter 3,5 mm per legering för att fastställa den kritiska gropfrämingstemperaturen hos varje material. Tabell 4 visar CPT-värdena per lege- 20 ring.

Ch m? Cs -fit-s (f: NaN m.. 8 Tabell 4. CPT-värden i 0,1 % NaCI-lösning vid 300mV mot SCE. Legeríng testad med 6 prover.

Legering CPT, °C, CPT, °C Medelvärde av 6 prover Standardavvikelsß 830207 85 23 830208 76 29 830209 95 830210 95 830211 95 Exempel 4 Bearbetbarheten hos sarmnansättningarna enligt Tabell 1 testades också. Riktade stänger i diameter 3,5 mm tillverkades genom att dra tråd från en diameter av 5,5 mm till 3,5 mm följt av ett riktningsfórfarande. Borrtester utfördes i det riktade, inte vär- mebehandlade, tillståndet med mekaniska egenskaper enligt Tabell 5. Hårdhetsprov- ning giordes enligt SS-EN ISO 6507.

Tabell 5. Dimension och mekaniska egenskaper hos riktade stänger använda för bear- betbarhetstest Legering Diameter Hårdhet [HV5kg] Sträckgräns Draghållfasthet [mm] Yta Halv Mia [MPfll [NIPßl radie 830207 3,504-3,504 371 367 367 1000-1000 1120-1130 830208 3,498-3,498 367 376 376 1010-1000 1150-1150 830209 3,495-3,498 367 376 376 990-1010 1180-1180 830210 3,510-3,510 353 362 367 980-960 1110-1110 830211 3,504-3,504 341 353 349 960-950 1090-1090 10 15 20 Borrtestet gjordes med de borrningspararnetrar som visas i Tabell 5- BOITaYHfi S°m användes var ø 2 mm obelagda hårdmetallborrar, HAM 380, med en skärvinkel av 130°. Borrdjupet var två gånger stångdiarnetern.

Tabell 6. Bearbetningsdata vid borrning Förfarande Skärhastighet m/min Matning min/Varv Borrning 5 0,05 Avstickning 10 (men max 4000 0,005 varv/min) Bearbetbarheten utvärderades med avseende på spånbildning, borrfórslimiflg Och borrbarhet. Spânformen vid borrning bedömdes med användning av “Svenska Mekan- fórbundets Spånskala” (Karlebo Handbok, 15:e upplagan, 2000, sid 449-450) 55150111 en referenskarta. Den optimala spånbildningen för bäst produktivitet är nr 5-7.

Tabell 7. Spånform vid borrning Legering Spånfonn Rank' ning 830207 De 2 första 7, Övriga 2~3 3 830208 5-7 1 830209 5-7 1 830210 Enstaka spånor 6-7, övriga 1-3 3 830211 Vissa med oregelbunden form, generellt 5-7 2 Förslitningen mättes såsom fórslimingen vid släppningsytan på skäreggen (flankför- slitning), hörnförslitning genom lösegg och eventuella eggskador. Testerna utfördes i vissa fall för två prover av varje legeringssamrnansättning. Skadorna/fórslimingen graderades därefter efter en skala med avseende på de olika typerna av förslit- ning/skador, varvid en så låg grad som möjligt är önskvärt. Ett lågt värde indikerar en längre verktygslivslängd med ett högt värde. Resultaten visas i Tabell 8.

G1 leo GO är; Un -ë=~ I 0 Tabell 8. Graderade resultat av förslitningstester Legering Lösegg - grad Flank- Höm- Flisning Grad T0tfll 1=1indf1g fofsm- fofsm- 1=1indris rankning 3 = hård ning, ning, 3 = hård 1 = längst mm mm verktygs- livslängd 830207-1 Ja-3 0,1 Ej Ja-flank 2 6 tillämpl 830207-2 J a - 3 - 0,08 Ja - hörn 3 5 830208-1 Ja - 2 - 0,09 Nej - 2 830208-2 Nej - 0,1 Ja-höm 3 4 830209-1 Ja - 2 0,05 0,04 Nej - 3 830209-2 Nej 0,03 0,1 Nej - 2 830210-1 Nej 0,04 0,08 J a - flank 3 5 830210-2 Nej 0,07 - Nej - 1 830211-1 Ja - 3 0,05 - Nej - 1 830211-2 Ia - 2 0,04 - Nej - 1 Rankningen av genomsnittlig verktygsförsliming i de två testerna per legering fram- går i Tabell 9. En lägre rankning indikerar en längre verktygslivslängd än en högre rankning.

Tabell 9. Verktygsfórsliming vid borrning, genomsnitt av de två testema i Tabell 8 Legering Rankníng 830207 5 830208 830210 3 830209 2 3 1 83021 1 10 528 4.51?- l l Storskaliga borrningstester ordes på material frân smältorna 830207 och 830209.

Borrbarheten mättes genom antalet borrade delar tills utnött borr. Även antalet borrade hål per timme mättes. Resultaten visas i tabell 10.

Tabell 10. Resultat av storskallgt bormingstest I..egering Hål producerade per borr Borrade hål per timme 830207 13700 1320 830209 23250 1680 Borrningstesterna visar att alla legeringar enligt uppfinningen visar en förbättrad bearbetbarhet jämfört med referenslegeringen 830207 i form av spånbildning som är viktig för att minimera risken för spåntrassel under borrning. Alla legeringar enligt uppfinningen visar även mindre verktygsfórslimirig järnfóit med referenslegeringen 830207 , vilket innebär att fler delar kan tillverkas innan borren måste bytas ut.

Claims (10)

20 25 30 PATENTKRAV

1. Martensitisk rostfri stållegering, kännetecknad av att ha följande sammansättning i viktprocent: C max 0,07 Si max 1,5 Mn 0,2-5 S 0,01-0,4 Cr 10-15 Ni 7-14 Mo 1-6 Cu 1-3 Ti 0,3-2,5 A1 0,2-1,5 N max 0,1 återstoden Fe och normalt förekommande föroreningar, varvid den innefattar titansulfider.

2. Martensitisk rostfri stållegering enligt krav 1, kännetecknad därav att halten av S är 0,015-0,3 %.

3. Martensitisk rostfri stålïegering enligt krav 1, kännetccknad därav att halten av Ti är åtminstone 0,5 %.

4. Martensitisk rostfri stållegering enligt krav 3, kännetecknad därav att halten av Ti är max 2 %.

5. Maatensitisk rostfri stållegering enligt krav 1, kännetecknad därav att halten av Mo är 2-5 %. 20 528 454 13

6. Martensitisk rostfri stållegering enligt krav 1, kärmetecknad därav att 112111611 aV CT är ILS-IB % Och att halïtm av Ni är 8-13 %.

7. Martensitisk rostfri stållegering enligt lrrav 1, kännetecknar! av att den är utskiljningshärdad.

8. Martensitisk rostfri stållegering enligt krav 1, kännetecknad därav att den pro- duceras genom konventionella metallurgitekniker.

9. Martensitisk rostfri stållegering enligt något av föregående krav kärmetecknad därav att Mo delvis eller helt är ersatt med W.

10. Martensitisk rostfri stållegering, kännetecknad av att ha följande sammansättning i viktprocent: C max 0,07 Si max 1,5 Mn 0,2-1,4 S 0,01-0,4 Cr 10~15 Ni 7-14 Mo 1-6 Cu 1-3 Ti 0,3-2,5 Al 0,2-l,5 N max 0,1 återstoden Fe och normalt förekommande föroreningar. varvid den innefattar titansulfider.