SK286725B6

SK286725B6 - Nástrojová oceľ, spôsob výroby dielcov z tejto ocele a dielec z ocele alebo získaný uvedeným spôsobom

Info

Publication number: SK286725B6
Application number: SK1299-2003A
Authority: SK
Inventors: Jean Beguinot; Dominique Viale
Original assignee: Usinor
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2009-04-06
Also published as: KR20030085111A; SK12992003A3; UA74258C2; US7445750B1; ATE282721T1; BR0209018B1; PT1379706E; WO2002083966A1; ZA200307900B; HU228835B1; RU2279494C2; AU2002257862B2; JP2004526060A; PL197554B1; EP1379706A1; DE60201984T2; ES2231691T3; MY127296A; CZ20032755A3; CA2444175C

Abstract

Je opísaná nástrojová oceľ, ktorej zloženie obsahuje v percentách hmotnosti: 0,8 <= C <= 1,5; 5,0 <= Cr <= 14; 0,2 <= Mn <= 3, Ni <= 5, V <= 1, Nb <= 0,1, Si+Al <= 2, Cu <= 1, S <= 0,3, Ca <= 0,1, Se <= 0,1, Te <= 0,1; 1,0 <= Mo+W/2 <= 4; 0,06 <= Ti+Zr/2 <= 0,15; 0,004 <= N <= 0,02, pričom zvyšok zloženia je tvorený železom a nečistotami vyplývajúcimi z výroby, pričom 2,5.10-4%2 <= (Ti+Zr/2) x N. Ďalej je navrhnutý spôsob výroby dielca z ocele uvedeného zloženia, pri ktorom sa vyrobí tekutá oceľ tavením súboru prvkov uvedeného zloženia, s výnimkou titánu a/alebo zirkónia, a potom sa pridávajú do taveniny ocele titán a/alebo zirkónium na zabránenie tomu, aby v ktoromkoľvek okamihu dochádzalo v tavenine ocele k tvorbe lokálnych nadmerných koncentrácií titánu a/alebo zirkónia, tekutá oceľ sa odlieva s cieľom získať ingot alebo bramový ingot a ingot alebo bramový ingot sa podrobujú tvárneniu plastickou deformáciou za tepla a potom eventuálne tepelnému spracovaniu, s cieľom získať uvedený dielec. Ďalej sa vynález týka dielcov zhotovených z uvedenej ocele alebo uvedeným spôsobom.

Description

Vynález sa týka nástrojovej ocele, majúcej zvýšenú húževnatosť vzhľadom na vlastnosti podľa doterajšieho stavu techniky, spôsobu výroby ocele tohto zloženia, ako aj dielcov, ktoré je tak možné získať.

Doterajší stav techniky

Nástrojové ocele sa v širokej miere používajú v rade aplikácií vyžadujúcich relatívne presuny medzi kovovými dielcami vo vzájomnom dotyku, z ktorých jeden musí čo možno najdlhšie zachovať svoju geometrickú celistvosť. Ako príklad uskutočnenia je možné uviesť obrábacie a rezné nástroje, ako aj metrologické vybavenie.

Zachovanie geometrickej celistvosti týchto dielcov (dielov, súčiastok) vyžaduje dobrú odolnosť proti opotrebeniu, dobrú odolnosť proti deformácii a proti rozlomeniu pri štatistických alebo dynamických namáhaniach, čo vyžaduje, aby použitá oceľ mala zvýšenú húževnatosť a tvrdosť.

Okrem toho musí akosť ocele vykazovať dobrú kaliteľnosť, aby štruktúra bola čo možno najhomogénnejšia vo veľkých hrúbkach po kalení.

Tieto rôzne požiadavky sa však ukazujú často ako protikladné. Je známy tak druh nástrojovej ocele na prácu za studená, označené AISI D2, ako aj široko rozšírené, obsahujúce 1,5 hmotn. % uhlíka a 12 hmotn. % chrómu s niekoľkými doplnkovými prídavkami karbidotvorných vytvrdzovacích prvkov ako Mo alebo V. Veľké obsahy uhlíka alebo chrómu vedú ku značnej precipitácii eutektických karbidov typu M₇C₃, ktoré sú vytvárané pri vysokej teplote na konci tuhnutia a sú teda hrubé a heterogénne rozložené v kovovej matrici.

Ak prítomnosť veľkého objemového podielu tvrdých karbidov v oceli je priaznivá na zosilnenie odolnosti proti opotrebeniu, škodí ich zlé rozdelenie húževnatosti.

Aby sa zmiernil tento problém, bolo už navrhnuté znižovať obsah uhlíka a chrómu v tomto type oceli na hodnoty približne 1 a 8 % s kompenzáciou zvýšeného obsahu molybdénu s veľkosťou približne 2,5 % (EP 0 930 374). Zmenšenie obsahu uhlíka dovoľuje znížiť objemový podiel eutektických karbidov, čo je priaznivé pre húževnatosť. Obohatenie týchto karbidov molybdénom, ktorý zvyšuje ich tvrdosť, dovoľuje potom udržiavať tvrdosť ocele a jej odolnosť proti opotrebeniu.

Zostáva však potreba ešte viac zjemniť rozdelenie týchto karbidov preto, aby sa zvýšila húževnatosť bez zhoršenia charakteristických vlastností ocele z hľadiska tvrdosti a odolnosť proti opotrebeniu.

Podstata vynálezu

Autori konštatovali, že nové zlepšenie kompromisu medzi húževnatosťou a mechanickou odolnosťou a odolnosťou proti opotrebeniu vyplýva neočakávaným spôsobom z dostatočného obsahu dusíka, sprevádzaného minimálnym obsahom titánu a/alebo zirkónia, ktorý sám závisí od obsahu dusíka.

Konkrétnejšie bolo pozorované zjemňovanie karbidov chrómu, molybdénu a volfrámu a s tým spojené zvýšenie húževnatosti, keď je :

- jednak N > 0,004 %, výhodne > 0,006 %,

- jednak (Ti+Zr/2) x N > 2,5.10 ⁴ %², pričom obsahy Ti, Zr a N sú vyjadrené v percentách hmotnosti.

Táto spojená požiadavka pokiaľ ide o dusík a titán alebo zirkónium ukazuje, že aktívnym faktorom je prítomnosť nitridov titánu a/alebo zirkónia, pri ktorých sa predpokladá, že hrajú úlohu zjemňovania veľkosti karbidov chrómu, molybdénu a volfrámu. Stredná veľkosť hrubých karbidov chrómu, molybdénu a volfrámu tak prechádza z typickej hodnoty 10 μηι podľa doterajšieho stavu techniky na hodnotu približne 4 μιη podľa vynálezu.

Prvým predmetom vynálezu je taká oceľ, ktorej zloženie obsahuje, v percentách hmotnosti:

0,8 < C < 1,5

5,0<Cr< 14

0,2 < Mn < 3

Ni<5

V< 1

Nb<0,l

Si+Al < 2

Cu< 1

S <0,3

Ca<0,l

Se<0,l

Te<0,l l,0<Mo+W/2<4

0,06 < Ti+Zr/2 <0,15

0,004 < N < 0,02, pričom zvyšok zloženia je tvorený železom a nečistotami vyplývajúcimi z výroby, pričom sa okrem toho rozumie, že 2,5.10^-4%² < (Ti+Zr/2) x N.

V prednostnom uskutočnení vynálezu obsahuje zloženie, v percentách hmotnosti:

0,8<C<l,5

7,0 < Cr < 9

0,2 <Mn < 1,5

Ni< 1

0,1 <V<0,6

Nb<0,l

Si +A1 < 1,2

Cu<l

S <0,3

Ca<0,l

Se<0,l

Te<0,l

2,4 < Mo+W/2 < 3

0,06 < Ti+Zr/2 <0,15

0,004 < N < 0,02, pričom zvyšok zloženia je tvorený železom a nečistotami vyplývajúcimi z výroby, pričom sa ďalej rozumie, že 2,5.10 ⁴%² < (Ti+Zr/2) x N.

Obsah titánu a/alebo zirkónia v oceli podľa vynálezu musi byť od 0,06 do 0,15 hmotn. %. Nad 0,15 hmotn. % má totiž precipitácia nitridov titánu a/alebo zirkónia sklon ku koalescencii a strate svojej účinnosti. Ak je naproti tomu obsah nižší ako 0,06 % hmotn. %, je množstvo prítomného titánu a/alebo zirkónia nedostatočné na dostatočné vytváranie nitridov titánu a/alebo zirkónia na získanie požadovaného zlepšenia húževnatosti a odolnosti proti opotrebeniu. Bude možné si povšimnúť, že zirkónium môže nahradzovať úplne alebo čiastočne titán v pomere dvoch dielov zirkónia na jeden diel titánu.

Obsah dusíka v oceli musí byť od 0,004 do 0,02 hmotn.%, výhodne od 0,006 do 0,02 hmotn. %. Jeho obsah sa obmedzuje na 0,02 hmotn. %, lebo nad ním má húževnatosť sklon klesať.

Obsah uhlíka v oceli podľa vynálezu musí byť od 0,8 do 1,5 hmotn. %, výhodne od 0,8 do 1,2 hmotn. %. Uhlík musí byť prítomný v množstve dostatočnom na vytvorenie karbidov a dosiahnutie úrovne tvrdosti, ktorá sa má v oceli dosiahnuť.

V inom výhodnom uskutočnení je obsah uhlíka v oceli podľa vynálezu od 0,9 hmotn. % do 1,5 hmotn. % s cieľom zaistiť zlepšenie tvrdosti, pri nezmenenom tepelnom spracovávaní a zosilnení odolnosti proti opotrebeniu zvyšovaním objemového podielu tvrdých karbidov.

Obsah chrómu v oceli podľa vynálezu musi byť od 5 do 14 hmotn. %, výhodne od 7 do 9 hmotn. %. Tento prvok umožňuje jednak zvýšiť kaliteľnosť ocele a jednak vytvoriť vytvrdzujúce karbidy.

Obsah mangánu v oceli podľa vynálezu musí byť od 0,2 do 3 hmotn. %, výhodne od 0,2 do 1,5 hmotn. %. Tento prvok sa pridáva do zloženia, pretože ide o prvok spevňujúci pri kalení, ale jeho obsah sa obmedzuje na obmedzenie segregácie, ktorá by vyvolala zlú kujnosť a príliš malú húževnatosť.

Oceľ môže obsahovať až 5 hmotn. % niklu. Výhodne musí obsah tohto prvku zostať pod 1 hmotn. %. Je možné ho pridávať do zloženia podľa vynálezu, pretože ide o prvok, ktorý je spevňujúci pri kalení a neprináša problémy segregácie. Obmedzuje sa však jeho obsah, lebo ide o gamagénny prvok, podporujúci tvorbu zvyškového austenitu.

Na zosilnenie odolnosti proti zmäkčeniu v častom prípade, keď je oceľ podrobená popúšťaniu pred použitím, je užitočné pridávať do zloženia silné karbidotvomé prvky, tvoriace pri popúšťaní jemné karbidy typu MC.

Medzi týmito prvkami je dávaná prednosť vanádu, ktorý sa používa v množstvách najmenej 0,1 %, ale nepresahujúcich 1 %, prednostne nižších ako 0,6 %.

Nióbu, ktorý má sklon precipitovať pri vyššej teplote a ktorý tak veľmi škodí kujnosti ocele, je potrebné sa vyhnúť a vo všetkých prípadoch nebude prítomný v množstve prekračujúcom hranicu 0,1 hmotn. % a výhodne bude jeho prítomnosť nižšia ako 0,02 hmotn. %.

Obsah kremíka a/alebo hliníka v oceli podľa vynálezu musí byť nižší ako 2 hmotn. %. Okrem úlohy odkysličovania ocele umožňujú tieto prvky spomaľovať koalescenciu karbidov za tepla a znižujú tak kinetiku zmäkčovania pri popúšťaní. Ich obsah je však obmedzený, pretože nad 2 hmotn. % vyvolávajú krehnutie ocele.

Obsah molybdénu a/alebo volfrámu v oceli podľa vynálezu musí byť od 1 do 4 hmotn. %, výhodne od 2,4 do 3 hmotn. %. Bude možné si povšimnúť, že volfrám môže nahradzovať úplne alebo sčasti molybdén v pomere dvoch dielov volfrámu na jeden diel molybdénu. Tieto dva prvky umožňujú zlepšovať kaliteľnosť ocele a vytvárať tvrdiace karbidy. Ich obsah je obmedzený, lebo sú zdrojom segregácie.

Meď môže byť prítomná v oceli v množstve nižšom ako 1 %, aby neškodila kujnosti ocele.

Na zlepšenie opracovania ocele môže byť okrem toho pridaná síra v množstve neprekračujúcom 0,3 %, eventuálne sprevádzaná vápnikom, selénom a telúrom v podieloch každý nižší ako 0,1 %.

Výroba ocele podľa vynálezu vrátane spôsobu pridávania titánu a/alebo zirkónia, sa môže uskutočňovať akýmkoľvek klasickým postupom, ale môže byť výhodne uskutočnená spôsobom podľa vynálezu, ktorý tvorí druhý predmet vynálezu.

Tento spôsob výroby dielcov (dielov, súčiastok - ďalej: dielcov) obsahuje prvú fázu, pri ktorej sa vyrába tekutá oceľ tavením súboru prvkov zloženia podľa vynálezu s výnimkou titánu a/alebo zirkónia, a potom sa pridávajú do taveniny ocele titán a/alebo zirkónium bez toho, aby v ktoromkoľvek okamžiku dochádzalo v tavenine ocele k tvorbe lokálnych nadmerných koncentrácií titánu a/alebo zirkónia.

Vynálezcovia totiž zistili, že klasické postupy pridávania, podľa doterajšieho stavu techniky, titánu a zirkónia vo forme masívnych prvkov z ferozliatiny alebo kovové, by vyvolávali tvorbu hrubých a teda menej početných nitridov titánu a/alebo zirkónia, zatiaľ čo ich časť sa môže oddeľovať. Táto situácia sa zdá byť spojená s tým, že spôsoby pridávania vyvolávajú silné nadmerné lokálne koncentrácie titánu a/alebo zirkónia v kvapaline v okolí pridávaných prvkov.

Jeden zo spôsobov uskutočnenia tohto prvého pochodu spôsobu podľa vynálezu spočíva v tom, že sa pridáva titán a/alebo zirkónium do trosky kontinuálne kryjúcu oceľovú taveninu a titán a/alebo zirkónium sa potom progresívnym spôsobom rozširuje do taveniny.

Ďalšie uskutočnenie tohto prvého pochodu spôsobu podľa vynálezu spočíva v tom, že sa titán a/alebo zirkónium pridáva kontinuálnym zavádzaním drôtu, pozostávajúceho z tohto prvku alebo prvkov, do oceľovej taveniny pri súčasnom miešaní taveniny prebublávaním alebo akýmkoľvek iným vhodným spôsobom.

V rámci vynálezu je dávaná prednosť používaniu rôznych spôsobov uskutočnenia, ktoré boli opísané, ale rozumie sa, že môže byť použitý' akýkoľvek spôsob umožňujúci predísť nadmernej lokálnej koncentrácii titánu a/alebo zirkónia.

Výroba sa spravidla uskutočňuje v oblúkovej peci alebo v indukčnej peci.

Na výstupe z tejto výroby sa tekutá oceľ odlieva do ingotov alebo plochého predliatku (bramového ingotu). Na zjemňovanie štruktúry bude možné uskutočňovať miešanie v kokile alebo aj použiť proces pretavovania pod troskou pomocou spotrebovateľnej elektródy.

Tieto ingoty alebo bramové ingoty sa potom premieňajú vhodnými postupmi tvárnenia plastickou deformáciou za tepla, ako je napríklad kovanie alebo valcovanie.

Oceľ môže byť potom podrobovaná tepelnému spracovaniu klasickými spôsobmi týkajúcimi sa nástrojovej ocele. Také tepelné spracovanie môže zahrňovať eventuálne žíhanie na uľahčovanie rezania a obrábania a potom austenitizáciu, nasledovanú chladením spôsobom prispôsobeným hrúbke, ako je chladenie vzduchom alebo olejom, eventuálne nasledovanými popúšťaniami podľa úrovne tvrdosti, ktorá sa má dosiahnuť.

Tretím predmetom vynálezu je oceľový dielec (diel, súčiastka - ďalej: dielec) zložený podľa vynálezu alebo získaný spôsobom podľa vynálezu, pri ktorom je stredná veľkosť precipitátov karbidov chrómu, molybdénu alebo volfrámu, pochádzajúcich z tuhnutia, od 2,5 do 6 pm, výhodne od 3 do 4,5 pm.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Vynález je znázornený na základe pozorovania nasledujúcich príkladov, pričom tabuľka 1 poskytuje chemické zloženie testovaných ocelí, z ktorých tavba 1 zodpovedá vynálezu, zatiaľ čo tavba 2 je uvádzaná na porovnanie.

Zloženie (v hmotn. %)	Tavba 1	Tavba 2
C	0,98	0,96
Cr	8,40	8,20
Mn	0,79	0,83
Ni	0,35	0,31
Cu	0,26	0,22
V	0,37	0,40
Nb	0,01	0,09
Si	0,97	0,94

Zloženie (v hmotn. %)	Tavba 1	Tavba 2
A1	0,03	0,03
Mo	2,60	2,50
W	-	-
Ti	0,11	0,004
Zr	-	-
N	0,011	0,009
Použité skratky:

P v: objemová strata, vyjadrená v mm³

KV: energia na zlomenie vzorky, vyjadrená v J/cm²T: húževnatosť, vyjadrená v J/cm²

Príklad 1 - húževnatosť

Vyrobia sa dva dielce z tavby 1 podľa vynálezu a z porovnávacej tavby 2, a to valcovaním ingotov, vyrobených z tavieb týchto zložení, za tepla pri 1150 °C. Vzorky sa potom austenitizujú pri 1050 °C počas jednej hodiny, kalia sa v oleji a potom sa podrobujú dvojitému popúšťaniu pri 525 °C počas jednej hodiny na získanie tvrdosti 60 HRC.

Potom sa uskutočnia dve séria pokusov používajúcich odlišné spôsoby na meranie húževnatosti:

- rázová skúška v ohybe na Charpyho vzorke vo forme tyče s V vrubom podľa normy NF EN 10045-2, ktorou sa zistí energia KV spotrebovaná na zlomenie vzorky a

- rázová skúška v ohybe tyče bez vrubu (tyč 10 mm x 10 mm), ktorou sa získa húževnatosť T.

Získané výsledky sú zhrnuté v nasledujúcej tabuľke:

KV (J/cm²)

Tavba 1 14,0

Tavba 2 10,5

T (J/cm²)

Je zrejmé, že bez ohľadu na použitú metódu má tavba 1 zlepšenú húževnatosť vzhľadom na porovnávaciu tavbu.

Príklad 2 - odolnosť proti opotrebeniu

Vyrobia sa dva dielce spôsobom analogickým s tým, aký je použitý v príklade 1 a uskutočňuje sa meranie odolnosti proti opotrebeniu podľa normy ASTM G52, ktoré dovoľuje určovať objemovú stratu, ku ktorej dochádza pri skúšaných vzorkách. Táto skúška spočíva v meraní straty hmotnosti vzorky, vystavenej abrazívnemu opotrebeniu pramienkom kremičitého piesku s kalibrovanou granulometriou, zavedeným medzi pogumované kolo a pevnú vzorku.

Získané výsledky sú zhrnuté do nasledujúcej tabuľky:

PV (mm³)

Tavba 1 17,5

Tavba 18,5

Je možné konštatovať, že tavba podľa vynálezu vykazuje odolnosť proti opotrebeniu o niečo zlepšenú vzhľadom na porovnávaciu tavbu 2.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Nástrojová oceľ, vyznačujúca sa tým, že jej zloženie obsahuje, v percentách hmotnosti: 0,8<C<l,5 5,0<Cr< 14

0,2 < Mn < 3

Ni < 5

V< 1

Nb<0,l

Si+Al < 2

Cu< 1

S <0,3

Ca<0,l

Se<0,l

Te<0,l l,0<Mo+W/2<4

0,06 < Ti+Zr/2 < 0,15

0,004 < N < 0,02 pričom zvyšok zloženia je tvorený železom a nečistotami vyplývajúcimi z výroby, pričom sa ďalej rozumie, že 2,5.10^-4%² < (Ti+Zr/2) x N.

2. Oceľ podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c a sa t ý m , že jej zloženie obsahuje, v percentách hmotnosti:

0,8 <C< 1,5

7,0 < Cr < 9

0,2 <Mn < l,5s

Ni< 1

0,1 < V<0,6

Nb<0,l

Si+Al < 1,2

Cu< 1

S <0,3

Ca<0,l

Se < 0,1

Te<0,l

2,4<Mo+W/2<3

0,06 < Ti+Zr/2 <0,15

0,004 <N< 0,02, pričom zvyšok zloženia je tvorený železom a nečistotami vyplývajúcimi z výroby, pričom sa ďalej rozumie, že 2,5.10^-4%² < (Ti+Zr/2) x N.

3. Oceľ podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúca sa tým, že obsah nióbu je nižší ako 0,02 hmotn. % alebo rovnajúci sa 0,02 hmotn. %.

4. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že obsah dusíka je od 0,006 do 0,02 hmotn. %.

5. Spôsob výroby dielca z ocele so zložením podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa t ý m , že sa vyrobí tekutá oceľ tavením súboru prvkov uvedeného zloženia s výnimkou titánu a/alebo zirkónia a potom sa pridávajú do taveniny ocele titán a/alebo zirkónium pri zabraňovaní tomu, aby v ktoromkoľvek okamihu dochádzalo v tavenine ocele k tvorbe lokálnych nadmerných koncentrácií titánu a/alebo zirkónia, tekutá oceľ sa odlieva s cieľom získať ingot alebo bramový ingot a ingot alebo bramový ingot sa podrobujú tvárneniu plastickou deformáciou za tepla a potom eventuálne tepelnému spracovaniu, s cieľom získať uvedený dielec.

6. Spôsob podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že pridávanie titánu a/alebo zirkónia sa uskutočňuje kontinuálne do trosky pokrývajúcej taveninu tekutej ocele, pričom titán a/alebo zirkónium sa potom progresívne šíri do tejto oceľovej taveniny.

7. Spôsob podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že pridávanie titánu a/alebo zirkónia sa uskutočňuje kontinuálnym zavádzaním drôtu pozostávajúceho z titánu a/alebo zirkónia do oceľovej taveniny pri súčasnom miešaní taveniny.

8. Spôsob podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že pridávanie titánu a/alebo zirkónia sa uskutočňuje fúkaním prášku obsahujúceho titán a/alebo zirkónium do oceľovej taveniny pri súčasnom miešaní taveniny.

9. Dielec z ocele so zložením podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4 alebo získaný spôsobom podľa ktoréhokoľvek z nárokov 5 až 8, vyznačujúci sa tým, že stredná veľkosť precipitátov karbidov chrómu, molybdénu alebo volfrámu, pochádzajúcich z tuhnutia, je od 2,5 do 6 pm.

10. Dielec z ocele podľa nároku 9, vyznačujúci sa tým, že stredná veľkosť precipitátov karbidov chrómu, molybdénu alebo volfrámu, pochádzajúcich z tuhnutia, je od 3 do 4,5 μηι.