SE529041C2 - Användning av ett pulvermetallurgiskt tillverkat stål - Google Patents

Description

Pl879 2 oundvikliga föroreningar. Ett annat snabbstål, är ASP® 2030 som har den norninella sammansättningen 1,28 C, 4,2 Cr, 5,0 Mo, 6,4 W, 3,1 V, 8,5 Co, rest järn och oundvikliga föroreningar. Ytterligare ett annat snabbstål är ASP® 2060 med den nominella sammansättningen 2.3 C, 4,2 Cr, 7,0 Mo, 6,5 W, 6.5 V, 10,5 Co, rest järn och oundvikliga föroreningar. Samtliga halter avser vikts-%.

KORT BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN För stål som ska användas för verktyg för spånskärande bearbetning är det önskvärt att förbättra slipbarheten då slipningen är ett tidskrävande moment i tillverkningen av dessa verktyg. Ändamålet med uppfinningen är därför att erbjuda ett nytt stål, företrädesvis ett snabbstål, som uppvisar samma goda egenskaper som de ovan nämnda kända stålen men där slipbarheten hos materialet förbättrats. Mer bestämt skall stålet ha följ ande egenskaper: 0 god slipbarhet i härdat och anlöpt tillstånd, 0 god seghet i härdat och anlöpt tillstånd, 0 god hårdhet i härdat och anlöpt tillstånd, 0 hög sträckgräns, 0 hög utmattningshållfasthet, 0 hög brottgräns, och 0 god nötningsbeständighet.

Dessa och andra villkor kan uppfyllas med ett stål som framställts pulvermetallurgiskt vilket kännetecknas av att det har en kemiska sammansättning i vikts-% som innehåller 1.1-2.3 C+N, 0.1 - 2,0 Si, 0.1 - 3,0 Mn, max 20 Cr, 5 - 20 (Mo+W/2), 0-20 Co, där det sammanlagda innehållet av niob och vanadin (N b + W balanseras i förhållande till förhållande mellan halten av niob och vanadin (Nb/V) så att innehållet av dessa element samt förhållandet mellan dem ligger inom ett område som begränsas av koordinaterna A, B, C i koordinatsystemet i figur 1, där A: [4.0; 0.55], B: [4.0; 4.0], C: [7.0; 0.55], samt totalt max 1% av någon av Cu, Ni, Sn, Pb, Ti, Zr, och Al, rest järn och oundvikliga föroreningar härrörande från stålets tillverkning.

KORT F IGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer att beskrivas utförligare i den följande redovisningen av utförda försök och med hänvisning till bifogade rimingsfigurer, av vilka: 10 15 20 25 30 35 041 P1879 3 Fig 1 visar förhållandet mellan å ena sidan den sammanlagda halten av Nb och V (Nb+V) och å andra sidan förhållandet mellan halterna av Nb och V (Nb/V) för det uppfinningsenliga stålet i form av ett koordinatsystem, Fig. 2 visar ett diagram över MX-karbidstorleken som funktion av volymsandelen MX-karbider Fig. 3 visar ett diagram över MóX-karbidstorleken som funktion av volymsandelen MóX-karbider Fig. 4 visar ett diagram över spridningen i karbidstorlek mellan olika värmebehandlingar och Nb/V-íörhållande Fig. 5 visar ett diagram över atomplanens avstånd (eng. lattice spacing) i planet dmd; :tör dg 1 UMX- och d(331).0_5Å MóX-karbidema i beroende av Nb/V-törhållandet.

Fig. 6 visar ett foto på mikrostruktirren hos det uppfinningsenliga stålet F eflzer värmebehandling nr 6.

Fig. 7 visar ett diagram över slipbarheten, G-ratio, som funktion av MX- karbidstorleken.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Utan att binda uppfinningen vid någon speciell teori skall de olika legeringsämnenas och de olika strukturbeståndsdelamas betydelse för att den önskade egenskapsprofilen skall kunna uppnås närmare förklaras. Beträffande procenthalter avses alltid vikts-% då det gäller legeringshalter och volym-% då det är fråga om strukturbeståndsdelar, om ej annat sägs.

Kol skall tillsammans med kväve förekomma i en halt av minst 1.1 % och högst 2.3 %, företrädesvis minst 1.3 % och högst 1.9 %, nominellt 1.75 % för att löst i martensiten ge materialet en för ändamålet lämplig hårdhet i härdat och anlöpt tillstånd. Vidare skall kol i kombination med niob och vanadin bidra till att en adekvat mängd primärt utskiljda MX-karbider, -nitrider, -karbonitrider av typ (Nb,V)X, samt i kombination med volfram, molybden och krom bidra till att en adekvat mängd primärt utskiljda MßX-karbider, -nitrider, -karbonitrider erhålles i grundmassan. Dessa karbider syftar till att ge materialet dess efterstävade nötningsbeständighet. Vidare bidrar de till att ge stålet en finkorning struktur då karbidema kan fungera som begränsande av korntill- växten. För enkelhets skull omnämns dessa hårdfaspartiklar såsom karbider i den fortsatta beskrivningen men det skall förstås att i den mån stålet innehåller kväve avses med benämningen karbider även nítfider och/eller karbonitrider. 10 20 25 30 35 cm c, v: c: -rs »__-à Pl879 4 Normalt uppgår kvävehalten till max 0.1 %, men genom den pulvennetallurgiska tillverkningstekniken är det möjligt att lösa in betydligt högre halter av kväve. En variant av stålet kännetecknas därför av att stålet innehåller en hög halt kväve, max 2.3 %, vilket kan åstadkommas genom fastfasnitrering av framställt pulver. Härigenom kan kvävet ersätta kol i de hårdänmen som skall ingå i stålet i det färdiga verktyget. Lägre halter än 1.1 % av kol + kväve ger inte tillräcklig hårdhet och slitstyrka, medan högre halter än 2.3 % kan medföra sprödhetsproblem.

Kisel finns i en halt av minst 0.1 % och kan i en kisellegerad variant förekomma i halter upp till ca 2 %, men norrnalt innehåller stålet inte mer än 1 % kisel och nominellt ca 0.6 % kisel.

Mangan kan också förekomma i första hand som en restprodukt från den smältmetallur- giska processtekniken, där mangan har betydelse för att på känt sätt oskadliggöra svavelföroreningar genom att bilda mangansulfider. Den maximala manganhalten i stålet är 3,0 %, företrädesvis max 0,5 % och norninellt ca 0.3 % mangan.

Som rest från stålets tillverkning kan svavel förekomma i stålet i halter upp till 800 ppm utan att stålets mekaniska egenskaper påverkas. Som avsiktligt tillsatt legeringselement kan svavel, upp till max 1%, bidra till ökad skärbarhet och ökad bearbetningsbarhet. Även fosfor förekommer i stålet som rest från stålets tillverkning i halter upp till 800 ppm utan att stålets mekaniska egenskaper påverkas.

Krom skall förekomma i stålet i en halt av lägst 3 %, företrädesvis lägst 3,5 %, för att löst i stålets grundmassa medverka till att stålet får tillräcklig hårdhet och seghet efter härdning och anlöpning. Krom kan även bidra till stålets nötningsbeständighet genom att ingå i primärt utskiljda hårdfaspartiklar, huvudsakligen MóX-karbider. Även andra primärt utskiljda karbider innehåll krom, dock inte i samma utsträckning. För mycket krom medför dock en risk för restaustenit, som kan vara svår att ombilda. Genom djupkylning av materialet kan restaustenithalten elimineras eller åtminstone minimeras.

Av denna anledning kan stålet tillåtas en kromhalt uppemot 20 %, men företrädesvis begränsas kromhalten till max 12 %, och än mer föredraget max 5.5 %. En nominell kromhalt är omkring 4 %.

Molybden och volfram bidrar likt krom till att stålets grundmassa får tillräcklig hårdhet och seghet efter härdning och anlöpning. Molybden och volfram kan även ingå i primärt 10 15 20 25 30 35 Pl879 5 utskilj da karbider av typen MgX-karbider och bidrar som sådana till stålets nötnings- beständighet. Även andra primärt utskiljda karbider innehåller molybden och volfram, dock inte i samma utsträckning. Gränserna väljs för att genom anpassning till övriga legeringselement ge lämpliga egenskaper. I princip kan molybden och volfram helt eller delvis ersätta varandra, vilket innebär att volfiam kan ersättas av halva mängden molybden eller molybden ersättas av dubbla mängden volfram. Erfarenhetsmässigt vet man emellertid att ungefär lika delar molybden och volfram är att föredra eftersom detta ger vissa tillverkningstekrríska, mer bestämt värmebehandlirrgstelcrriska, fördelar. Den totala halten molybden + volfram skall ligga i intervallet 5 till 20 %, mer föredraget max 15 %. Den nominella halten av molybden är 4.6 % och av volfram 6.1 %.

Kobolts eventuella förekomst i stålet bestäms av den avsedda användningen av stålet.

För applikationer där stålet normalt används vid rumstemperatur eller inte uppvärms till särskilt högra temperaturer under användningen bör stålet inte innehålla avsiktligt till- satt kobolt, eftersom kobolt minskar stålets seghet. Om stålet skall användas för spån- skärande verktyg, där varrnhårdheten kommer i förgrunden, är det däremot lämpligt att det irmehåller betydande mängde kobolt, som då kan tillåtas förekomma i en halt upp till 20%. En lämplig kobolthalt för att uppnå önskad varmhårdhet är i intervallet 7 till 14 %.

Niob är ett element som spelar en viktig roll för stålet enligt uppfinningen. Det är sedan tidigare känt att mindre tillsatser av niob, upp till 1%, kan bidra till att hålla nere karbid- storleken vilket bl.a. är positivt för materialets seghet och hårdhet. Enligt tidigare kända resonemang kan niob ersätta vanadin. Dock påverkas nötníngsbeständigheten och materialet blir också svårt att slipa, i synnerhet om stålet innehåller niob och/eller vanadin i halter på omkring 4 % eller däröver.

Vad som inte tidigare varit känt, åtminstone så vitt sökanden känner till, är att det råder ett samband mellan å ena sidan den sammanlagda halten av vanadin och niob och å andra sidan förhållandet mellan halten av vanadin och niob, där stålet trots ett högt innehåll av dessa karbidbildare ändå är överraskande lätt att slipa. Detta samband utgör grunden för uppfinningstanken och har uppdagats för sökanden genom omfattande försök vilka redovisas längre fram. Enligt uppfinningstanken skall å ena sidan det sammanlagda innehållet av niob och vanadin balanseras i förhållande till å andra sidan förhållande mellan halten av niob och vanadin (N b/V ) så att innehållet av dessa element samt förhållandet mellan dem ligger inom ett område som begränsas av koordinaterna A, B, C i koordinatsystemet i figur 1. Mer föredraget balanseras det sammanlagda 20 25 041 P1879 6 innehållet av dessa element (Nb+V) samt förhållandet mellan dem (Nb/V) inom ett område som begränsas av koordinaterna D, E, F och än mer föredraget inom ett område som begränsas av kooordinatema G, H, I där: [(Nb+V); (Nb/Vfl A: [4.0; 0.55] B: [4.0; 4.0] C: [7.0; 0.55] D: [4.25; 0.55] E: [4.25; 3.5] F: [6.7; 0.55] G: [4.5; 0.55] H: [4.5; 3.0] I: [6.4; 0.55] Inom ramen för uppfinningstanken har det visat sig att trots ett högt legeringsinnehåll av niob och vanadin, kan storleken på i första hand h/Dí-karbiderna begränsas vilket bidrar till den förbättrade slipbarheten.

Vidare har det visat sig att för ett uppfinningsenligt stål fås mindre tillväxt av MX- karbiderna vid de olika varmoperationer som stålet genomgår under tillverkningen, ex.vis, HIPning, smide, valsning, ju högre förhållande av Nb/V som stålet har.

Vid undersökningen framkom också att det finnas ett samband mellan storleken av de bildade karbidema och det totala innehållet av dessa i stålet där storleken hos karbiderna ökar ju högre karbidinnehåll stålet har. Detta samband gäller för både M6X- och MX- karbidema. Vidare har undersökningen visat att vid fasta volymsandelar och process- parametrar är MóX-karbidema större än MX-karbiderna. Detta innebär att om man önskar erhålla ett stål med en given största storlek hos karbidema kan legeringssamman- sättningen balanserad för att ge stålet ett innehåll av MX-karbider som är mellan 1.5 och 2 gånger så stort som innehållet av MgX-karbider.

Vad som ytterligare överraskande visat sig är att stål som legerats med niob uppvisar ett kraftigare samband mellan ökningen av storleken hos MX-karbiderna och innehåller av MX-karbider än stål utan niobtillsats. Detta resultat indikerar att en niobtillsats endast är fördelakti g upp till ett visst maximalt innehåll av h/Dí-karbider, men inte därutöver. 10 20 25 30 529 041 P1879 7 Enligt uppfmningstanken kan således ett stål som uppfyller de för snabbstål högt ställda krav på seghet och hårdhet i kombination med hög sträckgräris, hög utmattningshåll- fasthet, hög brottgräns och relativt god nötningsbeständighet och dessutom uppvisar förbättrade slipningsegenskaper erhållas. Detta uppnås om stålet ges en sammansättning enligt föreliggande patentkrav 1 där sammansättningen balanserats med avseende på den totala halten av niob och vanadin i kombination med ett visst ßrhållande mellan niob och vanadín. Den totala halten av niob och vanadín skall därför uppfylla villkoret 4.0 5 Nb + V 5 7.0, företrädesvis 4.25 5 Nb + V 5 6.7 och än mer föredraget 4.5 5 Nb + V S 6.4 samtidigt som förhållandet mellan niob och vanadín skall uppfylla villkoret 0.55 5 Nb/V 5 4.0, företrädesvis 0.55 5 Nb/V 5 3.5 och än mer föredraget 0.55 5 Nb/V S 3.0. Utöver detta skall stålet ha ett innehåll av MX-karbider av max 15 vol-%, företrädesvis max 13 vol-% och än mer föredraget max 11 vol-% där åtminstone 80%, företrädesvis 90% och än mer föredraget minst 95% av MX-karbidema har en karbid- storlek i karbidens längsta utsträckning av max 3 um, företrädesvis max 2.2 um och än mer föredraget max 1.8 um. Stålets sammansättning bör också balanseras med avseende på de MßX-karbidbildande elementen krom, molybden och volfiam så att stålets innehåll av MóX-karbider uppgår till max 15 vol-%, företrädesvis max 13 vol-% och än mer föredraget max 12 vol-% där åtminstone 80%, företrädesvis 90% och än mer föredraget minst 95% av MóX-karbidema har en karbidstorlek i karbidens längsta utsträckning av max 4 um, företrädesvis max 3 um och än mer föredraget max 2.5 um.

Stålet enligt uppfinningen bör för övrigt inte innehålla några ytterligare, avsiktligt tillsatta legeringsärnnen. Koppar, nickel, tenn och bly samt karbidbildare såsom titan, zirkonium och aluminium kan tillåtas i en sammanlagd halt av max 1 %. Förutom dessa och ovan nämnda element innehåller stålet inga andra element än oundvikliga föroreningar samt andra restprodiikter från stålets smältmetallurgiska behandling.

FÖRSÖK I LABORATORIESKALA Sammanlagt nio försöksmaterial framställdes. De kemiska sammansättningarna hos dessa material framgår av tabell 1 nedan. 529 04-1 Pl879 8 Tabell I: Kemisk sammansättning i vikts-% för de undersökta stålen; rest järn och fiårorenin ar i normala halter Stål C Si Mn Cr Mo W Co V Nb Nb/V A 1.74 0.60 0.31 3.95 4.07 4.15 10.5 3.97 1.87 0.47 B 1.85 0.62 0.39 4.23 5.05 7.18 12.0 3.50 1.67 0.48 C l.77 0.56 0.29 3.94 4.99 5.09 0.63 3.94 1.96 0.50 D 1.86 0.63 0.40 4.20 7.02 7.14 12.0 3.25 1.74 0.54 E 1.98 0.41 0.28 2.98 2.99 1.14 7.80 4.08 2.63 0.64 F 1.73 0.62 0.39 4.20 6.99 7.00 11.9 2.63 1.98 0.75 G 1.92 0.41 0.3 0 4.28 1.00 3 .24 8.33 3 .76 3 .25 0.86 H 1.28 0.6 0.3 4 5 6.4 8.5 3.1 - 0 I 2.30 0.6 0.3 4.2 7.0 6.5 10.5 6.5 - 0 Av stålen framställdes pulver genom gasatomisering. Respektive stålpulver konsoliderades genom hetisostatisk snabbkompakteríng, så kallad fast HIP/QIH, i små provkapslar ovanpå större produktionskapslar. Från de små provkapslarna togs prover vilka värmebehandlades på ett flertal sätti syfte att simulera typiska produktionsiörhållanden, enligt tabell 2 nedan: Tabell 2: Värmebehandling för att simulera typiska produktionsiörhållanden i ASP- rocessen Värmebehandling Temperatur (°C ), uppehållstid (h) 0 1150/2h 1 1150/2h + 1l00/l2h 2 l150/2h + 1130/3h 3 l150/2h + 1130/6h 4 1150/2h+ 1130/12h 5 l150/2h + 1150/3h 6 1l50/2h + 1100/l2h + 1130/6h +1l50/3h Karbidinnehåll och karbidstorlek De undersökta stålens innehåll av MX-karbider samt storleken på dessa varierar beroende av vilket värmebehandlirigsfórfarande enligt tabell 2 ovan som stålet genomgått. Detta framgår av tabell 3 nedan.

P1879 ššïšš9 041 Tabell 3, Stålets innehåll av MX-karbíder, storleken på dessa i beroende av värmebehandlings-fórfarande Värme- Medel- Medel- Volym-% Medel- Medel- Volym-% behandling storlek, storlek, 100 MX storlek, storlek, 100 MX samtliga* största” samtliga* största” Stål A Stål B 0 0.51 1.07 7.1 0.48 0.95 4.7 1 0.58 1.28 7.9 0.55 1.13 6.4 2 0.54 1.19 7.1 0.49 0.98 6.2 3 0.61 1.37 8.7 0.59 1.22 7.4 4 0.62 1.43 9.8 - - - 5 0.55 1.18 7.6 0.57 1.16 7.6 6 0.68 1.60 10.4 0.70 1.47 9.2 Stål C Stål D 0 0.56 1.18 7.7 0.47 0.93 5.6 1 0.53 1.18 7.6 0.55 1.09 6.4 2 0.46 0.91 6.0 0.49 0.96 5.8 3 0.53 1.14 8.3 0.57 1.14 6.5 4 0.55 1.30 8.5 0.62 1.28 6.8 5 0.52 1.09 8.1 0.54 1.07 6.5 6 0.62 1.39 10.4 0.69 1.43 8.5 Stål E Stål F 0 0.49 1.10 6.9 0.42 0.78 3.6 1 0.51 1.09 6.9 0.45 0.86 3.7 2 0.48 0.98 6.4 0.42 0.78 3.3 3 0.51 1.04 6.8 0.48 0.95 4.6 4 0.55 1.25 8.7 0.51 1.00 4.7 5 0.49 1.04 7.4 0.46 0.90 4.5 6 0.59 1.28 8.8 0.54 1.07 5.5 Stål G Stål H 0 0.44 0.86 5.2 0.39 1.17 12.6 1 0.52 1.07 6.1 0.68 1.52 14.1 2 0.47 0.91 5.3 0.60 1.30 13.2 3 0.50 1.04 6.4 0.62 1.39 12.0 4 0.52 1.06 6.7 0.69 1.57 14.5 5 0.50 1.01 6.5 0.62 1.38 13.1 6 0.60 1.16 8.4 0.76 1.82 15.9 Stål I 0 0.51 1.03 4.6 1 0.62 1.32 6.2 2 0.53 1.08 4.5 3 0.57 1.16 4.1 4 _ _ _ 5 0.55 1.11 4.4 6 0.74 1.59 6.5 * avser medelkarbidstorleken för samtliga MX-kabider ** avser medelstorleken på de 100 största karbiderna på en yta av ca 20 000 um 10 20 P1879 (fl i* J* I fig. 2 visas ett diagram över MX-karbidstorleken för värmebehandlingstörfarande nr 6.

I figuren är stål med niobtillsats markerat med fylld svart ring medan stål utan niob- tillsats är markerat med ofylld ring. Av figuren kan utläsas att storleken hos MX- karbiderna för Nb-innehållande stål är avsevärt mycket mindre än stål utan Nb-tillsats.

Motsvarande undersökning avseende de undersökta stålens innehåll av MóX-karbider samt storleken på dessa i beroende av vilket värmebehandlingstörfarande enligt tabell 2 ovan som stålet genomgått framgår av tabell 4 nedan.

Det maximala innehållet vid vilket en niobtillsats har en positiv inverkan på MX- karbidstorleken varierar beroende av hålltid och temperatur under processgången, t.ex.

HIPning, valsning och srnidning, vid de temperaturer som är typiska för snabbstål. En slutsats från undersökningen är att tör stål med ett innehåll av MX-karbider av max 15 vol-%, företrädesvis max 13 vol-% och än mer föredraget max 11 vol-% verkar niobtillsatsen vara gynnsam, medan niobtillsatsen tvärtom förefaller resultera i större MX-karbider för stål med större andel MX-karbider.

Tabell 4, Stålets innehåll av MóX-karbider, storleken på dessa i beroende av värmebehandlings-förfarande Värme- Volym-% Medel- Volym-% Medel- Volym-% Medel- behandling M¿X storlek, 100 M6X storlek, 100 M6X storlek, 100 största” största” Största” StålB StålC StålD 0 5.5 1.28 - - 9.2 1.49 1 7.6 1.75 5.3 1.42 11.7 1.89 2 7.5 1.38 5.6 1.17 10.5 1.61 3 7.2 1.71 4.7 1.37 10.7 1.90 4 - - 5.9 1.52 11.9 2.22 5 5.7 1.56 3.6 1.25 9.3 1.77 6 8.4 2.06 6.8 1.78 10.5 2.24 Stål F Stål H Stål I O 10.9 1.63 - - 7.4 1.43 1 11.1 1.88 6.7 1.52 9.7 1.93 2 11.8 1.70 6.8 1.43 8.5 1.58 3 12.3 1.98 7.1 1.65 8.9 1.81 4 11.7 2.17 - - - - 5 9.9 1.72 6.4 1.51 7.7 1.65 6 11.8 2.24 6.4 1.93 8.2 2.13 I tig. 3 visas ett diagram över MóX-karbidstorleken för värmebehandlingstörfarande nr 6 för stålen i tabell 4. I figuren är stål med niobtillsats markerat med fylld svart ring 10 15 20 25 30 35 C51 ba? '43 CI) .livs ...x Pl879 ll medan stål utan niobtillsats är markerat med ofylld ring. Av figuren kan utläsas att Nb~ tillsatsen inte har någon mätbar inverkan på storleken hos MfiX-karbiderna.

Vidare har det visat sig att för ett uppfinningsenligt stål fås mindre påverkan på MX- karbidstorleken vid de olika varmoperationer som stålet genomgår under tillverkningen, ex.vis, HIPning, smide, valsning, ju högre förhållande av Nb/V som stålet har, vilket framgår av figur 4. l figur 4 kan ses att varmoperationerna har ringa påverkan på MX- karbidstorleken hos stål med Nb/V -förhållande omkring 0.6 och därutöver.

I fig. 5 visas ett diagram över atomplanens avstånd (eng. lattice spacing) i planet dm) för MX- och MóX-karbiderna i beroende av Nb/V-förhållandet. För MX-karbiderna uppmättes (11 1)-avståndet och för MóC-karbidema uppmättes (331)-avståndet. Här framgår att niobtillsatsen inte förefaller ha någon inverkan på avstånden mellan atornplanen i MóC-karbiderna, vilket indikerar att en niobtíllsats inte inverkar på M6C~ karbidernas sammansättning. För MX-karbidema förefaller det finnas ett linjärt samband mellan atomplanens avstånd och ökningen i Nb/V-föhållande, vilket indikerar att niob löser in i MX-karbiderna. Dock avviker stål G, vilket troligtvis beror på att stora MX-karbider (>20 um) bildats i smältan innan granuleringen varför mindre mängd Nb funnits tillgängligt för de MX-karbider som bildats under granuleringen eller därefter.

Mikrostruktur Det uppfinningsenliga stålet har en mikrostruktur som i härdat och anlöpt tillstånd består av en en struktur av anlöpt martensit innehållande i martensiten jämnt fördelade MX-karbider och M6X-karbider, erhållbar genom härdning av produkten från en austenitiserings- temperatur mellan 1100 och l250°C, avkylning till rumstemperatur och anlöpning vid 500-600°C. Stålet enligt uppfinningen skall ha ett innehåll av MX-karbider av max 15 vol-%, företrädesvis max 13 vol-% och än mer föredraget max ll vol~% där åtminstone 80%, företrädesvis 90% och än mer föredraget minst 95% av MX-karbiderna har en karbidstorlek i karbidens längsta utsträckning av max 3 um, företrädesvis max 2.2 um och än mer föredraget max 1.8 um. Stålets sammansättning bör också balanseras med avseende på de M6X-karbidbildande elementen krom, molybden och volfram så att stålets innehåll av MóX-karbider uppgår till max 15 vol-%, företrädesvis max 13 vol-% och än mer föredraget max 12 vol-% där åtminstone 80%, företrädesvis 90% och än mer föredraget minst 95% av MóX-karbiderna har en karbidstorlek i karbidens längsta utsträckning av max 4 um, företrädesvis max 3 um och än mer föredraget max 2.5 um. 10 15 20 25 30 35 P1879 12 I fig. 6 visar ett foto på mikrostrukturen hos ett uppfinningsenligt stål av legering F, enligt tabell 2. I figuren ses de jämt fördelade MX-karbidema som svarta/mörkt grå och de lite större MóX-karbidema framträder som vita/ljust grå. Stålet innehåller 5.5 vol-° o MX-karbider med en medelstorlek på 0.5 um där de 100 största MX-karbiderna inom en yta av ca 20 000 um har en medelstorlek på l.l pm, samt 11.8 vol-% MfiX-karbider med en medelstorlek på 1.2 pm där de 100 största M6X-karbiderna inom en yta av ca 20 000 pm har en medelstorlek på 2.2p.m. De ljusa områdena som omger MX-karbiderna är en effekt från etsningen vilken inte har någon motsvarighet i materialet i verkligheten.

Slipbarhet Enligt en aspekt av uppfinningen skall stålet ha en god slipbarhet. Storleken på framförallt MX-karbiderna inverkar på ett ståls slipbarhet så att slipbarheten försämras ju större karbider stålet innehåller. Ett ståls slipbarhet kan anges som dess G-förhållande (eng. G ratio) och är ett mått på hur svårt materialet är att slipa. Stålets G-förhållande mättes i härdat och anlöpt tillstånd genom att en provbit med måtten 7x7x1 50 mm planslipades mot kommersiella aluminiumoxidskivor, s.k. vita skivor, ner till 2x7xl 50 mm. G-förhållandet anges som volymen bortslipat stålmaterial i förhållande till volymen förbrukad slipskiva. Ett material som är lätt att slipa har ett högt värde på G- förhållandet medan ett material som är svårt att slipa kännetecknas av ett lågt värde. I figur 7 visas slipbarheten som funktion av MX-karbidstorleken. Det framgår att ett stål med liten MX-karbidstorlek uppvisar avsevärt förbättrad slipbarhet jämfört med andra stål med ett innehåll av MX-karbider i samma volymmässiga omfattning.

FÖRSÖK I PILOTSKALA Hårdhet i härdat och anlöpt tillstånd Av det uppfirmingsenliga stålet tillverkades två varianter om vardera ca 200 kg genom gasatomisering och HIPning. Av detta pulver framställdes pilotkapslar om ca 10 kg ur vilka provbitar togs för utvärdering av hårdheten efter härdning och anlöpning. Dessa varianter av det uppfmningsenliga stålet är tänkt för applikationer med höga hårdhets- krav men fortfarande i kombination med en hög seghet, exempelvis för verktyg för att prägla mönster eller profiler i metaller mm. samt på stål för verktyg för spånskärande bearbetning, t ex gängtappar och pinnfräsar med spåndelare. Liknande krav ställs på stålet om det skall användas för verktyg för kallarbete. Den kemiska sammansättningen för dessa stål framgår av tabell 4. Resultaten framgår av tabell 5 529 ÜÅÉ/I .wüfidå Qflßëwvflw HN c.Nw cow N o.ww www cow N Nøw oßw oæw wfiw cww N Wow N.ww ofiw cvw N wow wow oNw N Wow cow N fiNw cow w ww www cow w w.ww wow wxww www cww w www www www ovw w o.ow o.ow oNw w Now cow w :w n m Go <,w. .wånaaniow 33 .så å: .i w mäëš==< šw .EE w-N wšwwm: AU... .ääzahomiuwwwwmww Ûmwö .äwwšwvcanunošww mvEo www wošm æwzcowwcwønwwmm: wow mo: wåwšwww ”w :owßfi wwN www wow wow oww wow oNo wwo www N wcN ow.o mco www ow.o wow oN.o ow.o ownw w :Z > .Ö >P owz .Ö :wš om U .www cwnüånw zoo :www cmow æowwwm mwwwcowmcwnswfiw n www. É äwcmfiš wš www .Xfiænwï w wcwctmmnnëšm amwflövw ä. wwowæh ow.o www 10 20 QT1 Ö Ü \f CZ) Äšß -u-å P1879 14 Beroende på vilket applikationsområde som avses för stålet väljs en optimal hårdhet inom hårdhetsområdet 50-70 HRC . För applikationsoniråden där en lägre hårdhet eftersträvas, 50-5 5 HRC, men högre seghet föredras, begränsas innehållet av framförallt C och eventuellt förekommande N samt åtminstone någon av W, V, Nb, Mo och Co så att halterna ligger omkring de undre gränserna för stålet, samt att austenitiseringstemperaturen vid härdningen väljs lägre än 1100°C.

För stål som skall användas till varmarbetsverktyg, t.ex. för extrudering av aluminiumprofiler är en av de viktigaste egenskaperna att stålet är anlöpningströ gt, vilket innebär att det ska kunna utsättas för hög temperatur under lång tid utan att förlora den hårdhet stålet fått efter härdning och anlöpning. Däremot behöver denna hårdhet inte vara extremt hög, lämpligen storleksordningen 50-55 HRC. Om stålet i stället skall användas för kvalificerade maskinelement är en högre hårdhet och hållfasthet i kombination med hög seghet primära egenskaper. Typiskt kan hårdheten efter anlöpning i detta fall ligga i intervallet 55-60 HRC. Ännu högre hårdhetskrav, 60- 70 HRC, men fortfarande i kombination med en hög seghet, ställs på stål för verktyg för att prägla mönster eller profiler i metaller mm. samt på stål fór verktyg för spånskärande bearbetning, t ex gängtappar och pinnfiäsar med spåndelare. Gängtappar bör ha en hårdhet i intervallet 60-67 HRC, medan pinnfräsama bör ha en hårdhet i intervallet 62- 70 HRC. Liknande krav ställs på stålet om det skall användas för verktyg för kallarbete.

Claims (7)

10 20 25 30 35 5229 041 11879 15 PATENTKRAV

1. Användning av ett stål för kvalificerade maskinelement eller verktyg för varmarbete eller spånskärande bearbetning eller kallarbete k ä n n et e c k n a t av att stålet framställts pulvermetallurgiskt och har en kemisk sammansättning i vikts-% som innehåller: 1.1 - 2.3 C+N 0.1 - 2.0 Si 0.1 - 3.0 Mn max 20 Cr 5 - 20 (Mo+W/2) 0 - 20 Co där det sammanlagda innehållet av niob och vanadin (Nb + V) balanseras i förhållande till förhållande mellan halten av niob och vanadin (Nb/V) så att innehållet av dessa element samt förhållandet mellan dem ligger inom ett område som begränsas av koordinaterna A, B, C i koordinatsystemet i Fig. 1, där A: [4.0; 0.55] B: [4.0; 4.0] C: [7.0; 0.55] samt totalt max 1 % av någon av Cu, Ni, Sn, Pb, Ti, Zr, och Al, rest j äm och oundvikliga föroreningar härrörande från stålets tillverkning, där stålet har härdas vid en austenitiseringstemperatur av 950 - 1250 °C samt anlöpts vid en anlöpningstemperatur av 480 - 650 °C, 3xl h och har en rnikrostruktur som består av anlöpt maitensit med ett innehåll av MX-karbider av max 15 vol-%, företrädesvis max 13 vol-% och än mer föredraget max ll vol-%, där åtminstone 80 %, företrädesvis 90 % och än mer föredraget minst 95 % av MX-karbidema har en karbidstorlek i karbidens längsta utsträckning av max 3 pm, företrädesvis max 2.2 um och än mer föredraget max 1.8 um samt har ett innehåll av MóX-karbider uppgår till max 15 vol-%, företrädesvis max 13 vol-% och än mer föredraget max 12 vol-%, där åtminstone 80 %, företrädesvis 90 % och än mer föredraget minst 95 % av MfiX-karbidema har en karbidstorlek i karbidens längsta utsträckning av max 4 um, företrädesvis max 3 um och än mer föredraget max 2.5 tim, samt har en hårdhet i intervallet 50 ~ 70 HRC.

2. Användning av ett stål enligt krav 1 k änne t ec kn at av att det sammanlagda innehållet av niob och vanadin (Nb + V) balanseras i förhållande till förhållande mellan halten av niob och vanadin (Nb/V) så att innehållet av dessa element samt förhållandet mellan dem ligger inom ett område som begränsas av koordinatema D, E, F där: D: [4.25; 0.55] E: [4.25; 3.5] 10 20 25 m en m» 11879 16 F: [6.7; 0.55]

3. Användning av ett stål enligt krav 1 k änn et e c k n at av att det sammanlagda innehållet av niob och vanadin (Nb + V) balanseras i förhållande till förhållande mellan halten av niob och vanadin (Nb/V) så att innehållet av dessa element samt förhållandet mellan dem ligger inom ett område som begränsas av koordinaterna G, H, I där: G: [4.5; 0.55] H: [4.5; 3.0] I: [6.4; 0.55]

4. Användning av ett stål enligt något av krav 1 - 3 för verktyg för varmarbete där stålet har härdats vid en austenitiseringstemperatur av 950 - 1050 °C samt anlöpts vid en anlöpningstemperatur av 550 ~ 600 °C, 3x1h vilket har en hårdhet i intervallet 50 ~ 55 HRC.

5. Användning av ett stål enligt något av krav 1 - 3 för kvalificerade maskinelement där stålet har härdats vid en austenitiseringstemperatur av 950 - 1050 °C samt anlöpts vid en anlöpningstemperatur av 550 - 600 °C, 3xlh vilket har en hårdhet i intervallet 55 - 60 HRC.

6. Användning av ett stål enligt något av krav 1 - 3 för verktyg för spånskärande bearbetning där stålet har härdats vid en austenitiseringstexnperatttr av 1000 - 1250 °C samt anlöpts vid en anlöpningsternperatiir av 480 - 580 °C, 3xl h, vilket har en hårdhet i intervallet 60 - 70 HRC.

7. Användning av ett stål enligt något av krav 1 - 3 för verktyg för kallarbete, där stålet har härdats vid en austenitiseringstemperatur av 1000 - 1250 ”C samt anlöpts vid en anlöpningsternperattlr av 480 - 580 °C, 3xl h vilket har en hårdhet i intervallet 60 - 70 HRC.