SE516934C2 - Stålmaterial, dess användning och tillverkning - Google Patents

Description

25 30 35 "S16 2934 Den kemiska sammansättningen och mikrostrukturen på stålet enligt uppfinningen anges i de efterföljande patentkraven och ska kommenteras mer i detalj i det följande.

Då ej annat anges, avses alltid vikts-%.

Strukturen hos stålprodukten enligt uppfinningen har i mjukglödgat tillstånd en hårdhet i storleksordningen 250 HB och i seghärdat tillstånd en hårdhet av 30 ~50 HRC och en mikrostruktur som innehåller 5-12 vol-% MC-karbider, av vilka åtminstone ca. 80 vol-% har en storlek som är större än 3 um men mindre än 20 um. Företrädesvis har minst 90 vol-% av de utskilda karbidema av MC-typ en storlek som är större än 3 um men mindre än 20 um. Detta material är ämnat för skärande bearbetning i samband med verktygstillverkningen. I användningstillstånd har den färdiga produkten, dvs. verktyget, t.ex valsen, en ythårdhet uppgående till 60 - 67 HRC, erhållbar genom helhärdning eller induktionshärdning följd av anlöpning, varvid mikrostrukturen i det härdade och anlöpta materialet utgörs av anlöpt martensit innehållande 5 - 12 vol-% MC-karbider av vilka åtminstone ca. 80 vol-% har en storlek som är större än 3 um men mindre än 20 um.

Företrädesvis har även i detta fall åtminstone ca. 90 vol-% av MC-karbidema en storlek som är större än 3 um men mindre 20 um. Före anlöpning innehåller martensiten 0.50-0.70 vikts-% C.

För att uppnå den nämnda karbiddispersionen i stålets grundmassa kan användas några i sig kända tekniker för tillverkning av stålgöt, av vilka stålprodukten tillverkas. I första hand rekommenderas den s.k. sprayformningstekniken, som även är känd under namnet OSPREY-metoden, vid vilken ett göt successivt byggs upp genom att en smälta i form av droppar sprutas mot den tillväxande änden av det göt som kontinuerligt framställs, varvid dropparna bringas attjämförelsevis snabbt stelna, efter det att de träffat substratet, dock inte så snabbt som vid pulver-tillverkning och inte så långsamt som vid konventionell tillverkning av göt eller vid stränggjutning. En annan, eventuellt användbar teknik, är ESR-omsmältning (Electro Slag Remelting), särskilt för till- verkning av produkter med större dimensioner, tex med diametrar från ø 350 mm och upp till 600 mm.

Beträffande de olika legeringselementen i stålet gäller följande.

Kol ska finnas i tillräcklig mängd i stålet för att, i stålets härdade och anlöpta tillstånd, dels tillsammans med vanadin och eventuellt förekommande niob bilda 5 - 12 vol-% MC-karbider, där M huvudsakligen är vanadin, dels' ingå i fast lösning i stålets matrix i härdat tillstånd i en halt av 0.50 - 0.70 vikts-%. Lämpligen är halten löst kol i stålets 10 15 20 25 30 35 n n c n n n c u v n c o u o 516 9334 matrix ca. 0.60 %. Den totala halten kol i stålet, dvs. kol som är löst i stålets matrix plus det kol som är bundet i karbider skall vara minst 1.0 %, företrädesvis minst 1.1 %, medan den maximala halten kol kan uppgå till 1.9 %, företrädesvis max 1.7 %.

Enligt en första föredragen utföiingsform av uppfinningen innehåller stålet 1.4 - 1.7 C, företrädesvis 1.45 - 1.65 C, nominellt ca. 1.5 C, parad med 3 - 4.5 V, företrädesvis 3.4 - 4.0 V, nominellt ca. 3.7 V för att ge en total mängd MC-karbider uppgående till 8 - 12, företrädesvis 9 -11 vol-% MC-karbider, i vilka vanadinet delvis kan ersättas av dubbla mängden niob.

Enligt en andra tänkbar utföringsform innehåller stålet 1.1 - 1.3 C, nominellt ca. 1.2 C, parad med 2.0 - 3.0 V, nominellt ca. 2.3 V för att ge en total mängd MC-karbider uppgående till 5 - 7 vol-%, företrädesvis ca. 6 vol-% MC-karbider, i vilka vanadinet delvis kan ersättas av dubbla mängden niob.

Vid samtliga utföringsformer innehåller stålets härdade, martensitiska grundmassa 0.50-0.70 % C före anlöpning.

Kisel, som delvis kan ersättas av aluminium, skall tillsammans med eventuellt före- kommande aluminium finnas i en total halt av 0.5 - 2.0 %, företrädesvis i en halt av 0.7 - 1.5 %, lämpligen i en halt av 0.8 - 1.2 % eller i en nominell halt av ca. 1.0 % för att öka kolaktiviteten i stålet och därmed bidra till att stålet får en adekvat hårdhet utan att skapa sprödhetsproblem på grund av lösningshärdning vid allt för höga halter av kisel. Aluminiumhalten tär dock inte överstiga 1.0%. Företrädesvis innehåller stålet inte mer än max 0. 1% Al.

Mangan, krom och molybden skall finnas i stålet i tillräcklig mängd för att ge stålet en adekvat härdbarhet. Mangan har även funktionen att binda de restmängder svavel som kan finnas i låga halter i stålet, genom att bilda mangansulfid. Mangan skall därför finnas i en halt av 0.1-1.5%, företrädesvis i en halt av minst 02%. En lämpligaste halt ligger inom intervallet 0.3-1.1%, allra helst 0.4-0.8%. Den nominella manganhalten är ca 0.6%.

Stålprodukten enligt uppfinningen skall kunna härdas såväl genom induktionshärdning till ett induktionshärdningsdjup som är större än 35 mm, som genom helhärdning.

Krom, som krafiigt befrämjar härdbarheten, skall därför finnas i stålet för att till- sammans med mangan och molybden ge stålet en till dess avsedda användning anpassad 10 15 20 25 30 35 51-6 9434 härdbarhet. Med härdbarhet förstås i detta sammanhang härdningens förmåga att tränga in mer eller mindre djupt i det föremål som härdas. Härdbarheten skall härvid vara tillräcklig för att föremålet skall kunna helhärda även i förhållandevis grova dimensioner utan att behöva tillgripa mycket snabb kylning i olja eller vatten vid härdningen, vilket kan ge dimensionförändringar och så att man i föremålets tvärsnitt erhåller en hårdhet av 60 - 64 HRC, normalt 62 - 64 HRC. Vid induktionshärdning kan högre hårdheter eventuellt uppnås, ca. 65 - 67 HRC, men även vid induktionshärdning är hårdheten i ytskiktet normalt 62 - 64 HRC. För att den önskade härdbarheten med säkerhet skall uppnås vid aktuella mangan- och molybdenhalter, skall kromhalten uppgå till minst 4.0 %, företrädesvis till minst 4.4 %. Samtidigt får kromhalten inte överstiga 5.5 % företrädesvis uppgå till max. 5.2 % för att inte oönskade kromkarbider skall bildas i stålet.

Vanadin skall ingå i stålet i en halt av minst 2.0 % och max. 4.5 % för att tillsammans med kol bilda nämnda MC-karbider i stålets seghärdade, martensitiska grundmassa.

Såsom nämnts i det föregående innehåller stålet enligt den första föredragna utförings- formen av uppfinningen 3 - 4.5 V, företrädesvis 3.4 - 4.0 V, nominellt ca. 3.7 V, i kombination med en adekvat mängd kol för att ge en total mängd MC-karbider uppgående till 8 - 12, företrädesvis 9 - 11 vol-% i härdat och anlöpt tillstånd. Enligt den andra, ovan nämnda tänkbara utföringsformen, innehåller stålet 2.0 - 3.0 V, nominellt ca. 2.3 V, i kombination med den kolmängd som nämnts i det föregående för att ge en total mängd MC-karbider uppgående till 5 - 7 vol-%, företrädesvis ca. 6 vol-%. I princip kan vanadin ersättas av niob, men härför krävs dubbelt så stor mängd niob som vanadin, vilket är en nackdel. Dessutom medför niob att karbiderna får en kantigare form och blir större än rena vanadinkarbider, vilket kan initiera brott eller urflisningar och därmed sänka segheten i materialet. Niob får därför inte ingå i en halt av mer än max. 1.0 %, företrädesvis max. 0.5 %. Allra helst bör stålet inte innehålla någon avsiktligt tillsatt niob, som i den mest föredragna utföringsformen därför inte bör tolereras mer än som en förorening i form av restelement härrörande från ingående råvaror vid stålets tillverkning.

Molybden ska finnas i en minsta halt av 2.5 % för att ge stålet önskad härdbarhet vid den begränsade halt av mangan och krom som kännetecknar stålet. Företrädesvis bör stålet innehålla minst 2.8 Mo, allra helst minst 3.0 Mo. Maximalt får stålet innehålla 4.0 % Mo, företrädesvis max. 3.8, lämpligen max. 3.6 Mo för att inte stålet skall komma att innehålla oönskade M6C-karbider på bekostnad av den önskade mängden MC- karbider. Molybden kan i princip helt eller delvis ersättas av volfram, men härför krävs nnnn n 10 15 20 25 30 35 nnn nnn n n nn nn n n nn nnnn o n . n o n n n n n o n o nn n n n n n nn on n o n n n n n o n n n n n n n non n n o - noo onn n n nnn nnnn n o oon n on n n n n n o n o n n n o n o n n 5 n n n n nn nn nnn nn nn nnn n n dubbelt så stor mängd volfram som molybden, vilket är en nackdel. Även skrot- hanteringen försvåras. Därför bör volfram inte ingå i en halt av mer än max. 1.0 %, företrädesvis 0.5 %. Allra helst bör stålet inte innehålla någon avsiktligt tillsatt volfram, som i den mest föredragna utföringsformen inte bör tolereras mer än som en förorening i form av restelement härrörande från ingående råvaror vid stålets tillverkning.

Utöver de nämnda legeringselementen behöver stålet inte, och bör inte, innehålla några ytterligare legeringselement i signifikanta halter. Vissa element är uttalat oönskade, eftersom de påverkar stålets egenskaper på ett oönskat sätt. Detta gäller t.ex. fosfor som bör hållas på så låg nivå som möjligt för att inte påverka stålets seghet negativt. Även svavel är ett oönskat element men dess negativa inverkan på segheten kan väsentligen neutraliseras med hjälp av mangan, som bildar väsentligen harmlösa mangansulfider och kan därför tolereras i en högsta halt av 0.2 %, företrädesvis max.0.05% och lämpligen max 0.02 %.Andra element, såsom Nickel, Koppar, Kobolt, med flera kan förekomma i föroreningshalter som restelement från använda råvaror vid stålets tillverkning. Kväve ingår som en oundviklig förorening i stålet men förkommer inte heller som avsiktligt tillsatt element.

Ytterligare kännetecken och aspekter på uppfinningen kommer att framgå av följande redovisning av utförda försök samt av de efterföljande patentkraven.

KORT FIGURBESKRIVNING I den följande redovisningen av utförda försök kommer att hänvisas till bifogade ritningsfigurer, av vilka Fig. l är ett diagram som visar inverkan av anlöpningstemperaturen på hårdheten hos de undersökta stålen, Fig. 2 visar i större skala puckeln på anlöpningskurvorna i Fig. 1 för stålen med de högsta hårdhetsvärdena, Fig. 3 utgör ett stapeldiagram som visar segheten som funktion av slagenergin för de undersökta stålen, Fig. 4 är ett stapeldiagram som visar beständigheten mot abrasiv nötning hos de undersökta stålen, och Fig. 5 utgör ett diagram som illustrerar duktiliteten, uppmätt via oanvisade slagprov, avsatt mot nötningsbeständigheten hos de undersökta stålen. 10 15 20 25 516 934 6 BESKRIVNING Av UTFÖRDA FÖRSÖK Åtta femtiokilos laboratoriecharger framställdes. Stålens sammansättningar, vikt-% for legeringselementen och vol-% for karbidinnehållet, framgår av tabell 1. Av göten smiddes stänger till dimensionen 60 x 60 mm.

Tabell 1 Sammansättning hos undersökslegeringar, vikt-% Stål TA C Si Mn P S Cr Mo V N Q; MC M3C Total No °C vol-% vol-% karbid- halt vol-% 1 980 0.72 0.74 0.60 0.005 0.005 5.43 1.16 0.52 0.02 0.58 0.9 0.9 1.8 2 980 1.10 0.82 0.66 0.008 0.007 5.54 1.17 2.00 0.02 0.58 4.6 1.1 5.7 3 1020 1.35 0.76 0.68 0.009 0.007 5.50 1.18 2.6 0.03 0.80 4.6 1.9 6.5 4 1020 1.34 0.70 0.62 0.009 0.006 8.20 1.58 1.93 0.03 0.59 3.6 6.3 9.9 5 1030 1.44 1.15 0.66 0.012 0.005 4.58 2.86 3.62 0.03 0.54 9.0 0 9.0 6 1030 1.51 1.20 0.67 0.014 0.006 4.59 3.50 3.62 0.05 0.57 9.5 0 9.5 7 1030 1.57 1.02 0.66 0.017 0.006 5.01 3.52 3.99 0.05 0.55 10.2 0 10.2 8 1030 1.15 1.12 0.64 0.010 0.005 4.46 2.80 2.12 0.02 0.61 5.5 0 5.5 * beräknad halt kol som är löst i den anlöpta martensitens grundmassa.

I Tabell 1 utgör stål No 1 -4 jämforelsematerial, medan stålen No 5- 8 har samman- sättningar enligt uppfinningen. Mer bestämt utgör stål No 5, 6 och 7 exempel på sammansättningar enligt nämnda forsta föredragna utforingsform av uppfinningen, medan stål No 8 är ett exempel på den nämnda, andra tänkbara utforingsformen av stålet enligt uppfinningen. De tillverkade provlegeringama undersöktes med avseende på - hårdhet (HB) efter mjukglödgning, - mikrostruktur efter värmebehandling; TA=1030°C/30 min/luñ +525°C/2x2h - hårdhet efier austenitisering vid TA=1030°C/30 min/luft +525°C/2x2h - hårdhet efter anlöpning vid 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 525°C, 600°C/2x2h, TA=1030°C/30 min/lufi - härdbarheten - beständighet mot abrasiv nötning - seghet 10 15 20 25 516 93,4 MJUKGLÖDGAD HÅRDPIET Den mjukglödgade hårdheten för stållegeringarna No 1 och 4-8 visas i tabell 2.

Hårdheten kan bedömas som normal med tanke på legeringarnas karbid- och vanadinhalt.

Tabell 2 Mj ukglödgad hårdhet Stål No. Hårdhet (HB) 1 224 4 223 5 249 6 257 7 259 8 241 MIKROSTRUKTUR Mikrostrukturen efter värmebehandling bestående av austenitisering vid 980-103 O°C/ 30 min + anlöpning vid 500-525°C/2x2h undersöktes dels ljusmikroskopiskt, dels genom Thermo-Calc beräkningar för de olika legeringsvariantema. Med en höjd krom- och vanadinhalt ökade mängden karbider. Stål No 4 och nr 7 hade den största mängden karbidfas, vilket redovisats i tabell 1.

HÅRDHET soM FUNKTION Av ANLOPNINGSTENIPERATUREN Anlöpningstemperaturens inverkan på hårdheten hos de undersökta stålen, som austenitiserats vid ett antal olika austenitiseringstemperaturer, visas i diagrammen i F ig. 1 och Fig. 2. Kravet på en hårdhet av minst 60 HRC efter anlöpning uppnåddes med god marginal för samtliga stålvarianter enligt uppfinningen efter austenitisering vid 1030°C/ 30 min och anlöpning vid 525 -550°C/2x2h.

HÄRDBARHIET Stålens härdbarhet bestämdes genom jämförande undersökningar med dilatometer.

Hårdheten uppmättes till de värden som redovisas i tabell 3. 10 15 20 25 516 93:, Tabell 3. Hårdhet efter körning i dilatometer Stål No Hårdhet (HV 10) 1 542 572 592 599 627 %\lO\Ll1-à 572 Jämfört med stål No 1 hade övriga legeringar en förbättrad härdbarhet. Speciellt hade stål No 6 med en högre Mo-halt en bättre härdbarhet.

SEGHET Slagprovning vid rumstemperatur med oanvisade provstavar för de undersökta stålen redovisas i Fig. 3. Med höjd karbidhalt avtog segheten. Särskilt stål No 8 uppvisade dock en mycket god seghet med tanke på att hårdheten är så hög som 62 HRC jämfört med 56,5 HRC för stål No 1.

ABRASIV NÖTNTNG Nötningsbeständigheten undersöktes via pinne-mot-skiva-test med SiOz som abrasivt nötningsmedel, Med en höjd vanadinhalt ökade nötningsbeständigheten kraftigt, såsom illustreras iFig. 4.

DISKUSSION - EGENSKAPSPROFIL Tabell 1 visar halten löst kol, fraktionen MC (vanadinkarbid), M3C (cementit) och total karbidhalt vid ett antal olika austenitiseringstemperaturer, då jämvikt antas råda för de olika legeringarna.

I Fig. 5 illustreras sambandet mellan duktiliteten, uppmätt via slagprovning med oanvisade provstavar, och nötningsbeständigheten, pinne-mot-skiva-test med SiOg, för de undersökta legeringarna.

Baserat på erfarenheterna från ovan redovisade försök bedöms att de nominella sammansättningarna hos de två nämnda utföringsforrnerna av stålet enligt uppfinningen bör ha sammansättningarna enligt tabell 4, där de kemiska sammansättningarna uttrycks 515 9549 i vikts-% och karbidinnehållet i härdat och anlöpt tillstånd uttrycks i vol-%, rest järn och oundvikliga föroreningar i nämnda halter. Q avser mängden löst kol i martensiten.

Tabell 4. Nominella sammansättningar, vikt-%/vol-% stånegering C si Mn P s Cr Mo v N Q MC% TypI 1,22 1,0 0,6 0,01 0,001 4,6 2,8 2,3 0,01 0,64 5,9 Typn 1,51 10 0,6 0,01 0,001 4,6 32 3,7 0,01 0,57 94 7 7 i

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 516 934 * 10 PATENTKRAV

1. l. Stålmaterial k ä n n e t e c k n at av att det utgörs av ett stål med följande kemiska sammansättning i vikts-%: 1.0 - 1.9 C, 0.5 - 2.0 Si, 0.1 - 1.5 Mn, 4.0 - 5.2 Cr, 2.5 - 4.0 W (Mo +í), dock max. 1.0 W Nb 2.0 - 4.5 (V +-2- ), dock max. 1.0 Nb, rest järn och föroreningar i normala halter i form av restelement från stålets tillverkning och med en mikrostruktur, som i stålets härdade och anlöpta tillstånd, innehåller 5 - 12 vol-% MC-karbider, av vilka åtminstone ca. 80 vol-% har en storlek som är större än 3 pm men mindre än 20 pm, samt, före anlöpning, 0.50 - 0.70 vikts-% kol som år löst i martensiten i stålets härdade tillstånd.

2. Stålmaterial enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller 1.35 - 1.7 C och 3.0 - 4.5 V.

3. Stålmaterial enligt krav 2, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller 1.40 - 1.65 C, lämpligen minst 1.45 C, och 3.4 - 4.0 V, samt en total mängd MC-karbider uppgående till 8 - 12, företrädesvis 9 - ll vol-%.

4. Stålmaterial enligt krav 1, k ä n n e te c k n at av att det innehåller 1.1 - 1.3 C och 2.0 - 3.0 V för att ge en total mängd MC-karbider uppgående till 5 - 7 vol-%.

5. Stålmaterial enligt något av kraven l- 4, k ä n n e t e c k n at av att stålet innehåller 0.7 - 1.5, lämpligen 0.8 - 1.2 % Si.

6. Stålmaterial enligt något av kraven 1- 5, k ä n n e t e c k n at av att kislet delvis är ersatt av aluminium, dock att stålet icke innehåller mer än 1.0, ßreträdesvis max. 0.1 % aluminium.

7. Stålmaterial enligt något av kraven 1 - 6, k å n n e t e c k n at av att stålet innehåller minst 0.2 % Mn, företrädesvis 0.3 - 1.1 Mn, lämpligen 0.4 - 0.8 Mn.

8. Stålmaterial enligt något av kraven 1 -7, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller 4.4 - 5.2 % Cr. 10 15 20 516 934 ll o o o U n | o ø o o n

9. Stålmaterial enligt något av kraven 1 - 8, k ä n n e t e c k n a t av att stålet innehåller 2.5 - 3.6% Mo, företrädesvis 2.75 - 3.25% Mo.

10. Användning av ett stålmaterial enligt något av kraven 1 - 9 ßr kallarbetsverktyg.

11. 1 1. Användning enligt krav 10 för homogena valsar för kallvalsning av metallband.

12. Sätt vid tillverkning av en stålprodukt, k ä n n e t e c k n at av att man bereder en stålsmälta med en kemisk sammansättning i vikts-% enligt något av kraven 1 - 9, att man av denna smälta framställer ett göt genom sprayformning, att götet bearbetas till önskad produktform genom plastisk och/eller skärande bearbetning, att den sålunda erhållna produkten värmebehandlas genom austenitisering vid 1000 - 1100°C och anlöpning 500 - 600°C till erhållande av en grundmassa bestående av anlöpt martensit och i denna grundmassa 5 - 12 vol-% MC-karbider, av vilka åtminstone ca. 80 vol-% har en storlek som är större än 3 pm men mindre än 20 pm.

13. Stålprodukt k ä n n e t e c k n at av att den är tillverkad enligt sättet enligt krav 12 och att stålets grundmassa innehåller 8 - 12, företrädesvis 9 -ll vol-% MC-karbider samt att martensiten efter härdning innehåller 0.50 - 0.70 vikts-% löst kol.

14. Stålprodukt k ä n n e t e c k n a t av att den är tillverkad på sättet enligt krav 12 samt att stålets grundmassa efier härdning består av martensit, som innehåller 5 - 7 vol-% MC-karbider och 0.50 - 0.70 vikts-% löst kol.