EP1736563A1 - Steel alloy - Google Patents
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
Definitions
- the present invention relates to a steel alloy according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing the steel.
- Such a method for producing a steel alloy is disclosed in the patent US 4,576,642 proposed.
- a high velocity gas stream of a noble gas eg, argon
- the metal stream is thereby shredded into fine droplets, which cool down to ambient temperature in fractions of a second.
- the resulting powdery material is shaped by forging or rolling into solid bodies.
- An object of the present invention is to provide an alloy with high corrosion and wear resistance and better machinability.
- the alloys according to the invention were obtained by deliberately choosing the vanadium content to be low, but adding tungsten and molybdenum for the adjustment of the carbides.
- the alloy consists in the main component of iron and also contains the following components: Carbon (C) 1.4 - 1.8% Chrome (Cr) 14 - 18% Tungsten (W) 2 - 7% Molybdenum (Mo) 0.6 - 4%
- the alloy preferably additionally contains Silicon (Si) 0.2 - 0.8% Manganese (Mn) up to 0.6% Nickel (Ni) up to 0.4%
- the powder of the alloy particles is filled in a capsule for hot isostatic pressing.
- the capsule is evacuated and sealed gas-tight.
- hot isostatic pressing for example at 1'080 ° Celsius over three hours at 1'100 bar, yielded a body with a fine, segregation-free structure. It was further observed that the carbides are uniformly distributed in the matrix.
- a heat treatment can still be done in the HIP plant.
- a subsequent heat treatment at 900 to 920 ° Celsius for two hours and subsequent uniform cooling with 12 ° C per hour up to 600 ° Celsius.
- the soft annealing hardness is about 28 HRC (hardness Rockwell).
- the material is then heat treated and tempered.
- the achieved hardness values can be seen in the start diagram (Fig. 2).
- the hardness HRC is plotted, on the abscissa 3 the tempering temperature in degrees Celsius (° C).
- the three curves refer to materials which have been subjected to the particular hardening temperatures specified in the following table: material Hardening temperature [° C] 5 1'080 6 1,140 7 1'180
- FIG. 3 shows the results for measurements of hardness 10, flexural strength 11 and compressive strength 12 in a bar chart.
- the material was cured at 1160 ° C and tempered at 575 ° C.
- numerical values for the hardness in degrees of hardness Rockwell are given, for the bending and compressive strength in units of 10 -2 MPa.
- the samples were subjected to wear and corrosion tests for comparison with other corrosion-resistant materials.
- the alloys 16 to 19 which are among the high-alloy steels, thereby have the known problematic processing properties in the soft annealed state.
- the wear tests were carried out after the pin-tape test.
- the material to be tested was pressed onto a running sanding belt with 3 kg of load and allowed to run for 60 m. Subsequently, the volume loss was determined and recorded in relation to 1 m run length.
- the ordinate 22 indicates the wear in units of mm 3 / m, where low values mean high resistance to wear.
- the ordinate 24 indicates the current in ⁇ A (microampere)
- the abscissa 25 indicates the applied potential in volts. The lower the current minimum of the curves, the higher the resistance to corrosion.
- the alloy 20 according to the invention has comparable properties with respect to the comparative alloys 16 to 19 with respect to corrosion resistance and sealing strength. However, in the as-annealed condition, they exhibited significantly better machinability, e.g. on a lathe.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stahllegierung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Stahls.The present invention relates to a steel alloy according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing the steel.
In der Werkzeugindustrie und in der Kunststoffverarbeitung werden Stähle verlangt, die immer höhere oder schärfere Anforderungen bezüglich Verschleiss, Korrosion, Festigkeit und Zähigkeit erfüllen. Die Pulvermetallurgie erlaubt, Stähle aus Legierungselementen zusammenzustellen, ohne dass sich diese entmischen. Dadurch sind auch ungewöhnliche Zusammensetzungen von Legierungen möglich. Ein Verfahren, um Legierungen mit ungewöhnlicher Zusammensetzung, aber in Pulverform herzustellen, besteht darin, die Legierung in der Schmelze zu halten und das Material durch Verdüsen unter Stickstoff in den festen Zustand überzuführen. Bei dieser schockartigen Verfestigung ändert sich die Zusammensetzung der Legierung von der Schmelze zum Feststoff kaum.The tooling and plastics industries require steels that meet ever-increasing or stricter requirements for wear, corrosion, strength and toughness. Powder metallurgy allows to assemble steels from alloying elements without segregating them. As a result, unusual compositions of alloys are possible. One method of making alloys of unusual composition but in powder form is to melt-hold the alloy and solidify the material by atomizing under nitrogen. In this shock-like solidification, the composition of the alloy hardly changes from the melt to the solid.
Ein derartiges Verfahren zur Herstellung einer Stahllegierung wird im Patent
Die Schrift befasst sich insbesondere mit dem genannten Verdüsungsprozess sowie dem Problem, die Karbide in einer möglichst feinen Dispersion zu halten. Die Anforderungen der eingangs genannten besonderen Anwendungsbereiche wurden bei den untersuchten Legierungen nicht beachtet.The document deals in particular with the mentioned atomization process and the problem of keeping the carbides in as fine a dispersion as possible. The requirements of The special applications mentioned above were ignored in the case of the alloys examined.
Aus der
Eine bekannte Gruppe hochlegierter Stähle, von denen Körper durch heissisostatisches Pressen ("hippen"), also pulvermetallurgisch, hergestellt werden können, ist jedoch wegen des hohen Legierungsgrades im weichgeglühten Zustand schlecht bearbeitbar wegen der immer noch hohen Werte der relevanten Eigenschaftsparametern wie Zähigkeit, Festigkeit usw. Namentlich auf Drehbänken können Körper aus diesen Stählen nur schwer bearbeitet werden.However, a known group of high-alloyed steels, of which bodies can be produced by hot isostatic pressing, ie powder metallurgy, is difficult to process because of the high degree of alloying in the as-annealed condition due to the still high values of the relevant property parameters such as toughness, strength, etc Especially on lathes bodies made of these steels are difficult to machine.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Legierung mit hoher Korrosions- und Verschleissfestigkeit und mit besserer Bearbeitbarkeit anzugeben.An object of the present invention is to provide an alloy with high corrosion and wear resistance and better machinability.
Eine derartige Legierung ist im Anspruch 1 angegeben. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Zusammensetzungen der Legierung und Verfahren zur Herstellung von Körpern aus der Legierung an.Such an alloy is specified in claim 1. The further claims indicate preferred compositions of the alloy and methods of making bodies of the alloy.
Allgemein wurden die erfindungsgemässen Legierungen dadurch erhalten, dass der Vanadiumgehalt bewusst tief gewählt ist, dafür aber Wolfram und Molybdän für die Einstellung der Karbide zugefügt wird. Die Legierung besteht damit im Hauptbestandteil aus Eisen und enthält darüber hinaus die folgenden Komponenten:
Bevorzugt enthält die Legierung zusätzlich
Sämtliche Angaben erfolgen dabei wie in der übrigen Beschreibung und in den Ansprüchen in Gewichtsprozent. Grundsätzlich unberücksichtigt bleiben in allen angegebenen Zusammensetzungen auch die technologisch unvermeidbaren Verunreinigungen durch Spuren sonstiger Elemente.All information is given as in the rest of the description and in the claims in weight percent. In principle, the technologically unavoidable impurities due to traces of other elements remain unconsidered in all of the stated compositions.
Die Erfindung soll weiter an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert werden.
- Fig. 1
- Korrosionsdiagramm
- Fig. 2
- Anlassdiagramm
- Fig. 3
- Härte- und Festigkeitsdiagramm
- Fig. 4
- Vergleichsdiagramm Verschleissfestigkeit
- Fig. 1
- corrosion chart
- Fig. 2
- tempering graph
- Fig. 3
- Hardness and strength diagram
- Fig. 4
- Comparison diagram wear resistance
Eine Schmelze mit der Zusammensetzung
wird hergestellt und gasverdüst. Das Pulver der Legierungspartikel wird in eine Kapsel für das heissisostatische Pressen gefüllt. Die Kapsel wird evakuiert und gasdicht verschlossen. Nach heissisostatischem Pressen (Hippen), beispielsweise bei 1'080° Celsius über drei Stunden bei 1'100 Bar, ergab einen Körper mit einem feinen, seigerungsfreien Gefüge. Es wurde weiter beobachtet, dass die Karbide gleichmässig in der Grundmatrix verteilt sind.is produced and gas atomized. The powder of the alloy particles is filled in a capsule for hot isostatic pressing. The capsule is evacuated and sealed gas-tight. After hot isostatic pressing (Hippen), for example at 1'080 ° Celsius over three hours at 1'100 bar, yielded a body with a fine, segregation-free structure. It was further observed that the carbides are uniformly distributed in the matrix.
Eine Wärmebehandlung kann noch in der HIP-Anlage erfolgen. Alternativ kann eine anschliessende Wärmebehandlung bei 900 bis 920° Celsius über zwei Stunden und nachfolgendes gleichmässiges Abkühlen mit 12° Celsius pro Stunde bis auf 600° Celsius erfolgen. Die damit erzielte Weichglühhärte liegt bei ungefähr 28 HRC (Härte Rockwell).A heat treatment can still be done in the HIP plant. Alternatively, a subsequent heat treatment at 900 to 920 ° Celsius for two hours and subsequent uniform cooling with 12 ° C per hour up to 600 ° Celsius. The soft annealing hardness is about 28 HRC (hardness Rockwell).
Das Material wird anschliessend wärmebehandelt und angelassen. Die erreichten Härtewerte sind im Anlassdiagramm (Fig. 2) ersichtlich. Auf der Ordinate 2 ist die Härte HRC aufgetragen, an der Abszisse 3 die Anlasstemperatur in Grad Celsius (°C). Die drei Kurven beziehen sich gemäss folgender Tabelle auf Materialien, die den jeweils angegebenen Härtetemperaturen unterworfen wurden:
In der Fig. 3 sind die Ergebnisse für Messungen der Härte 10, Biegefestigkeit 11 und Druckfestigkeit 12 in einem Balkendiagramm dargestellt. Das Material wurde bei 1'160° Celsius gehärtet und bei 575° Celsius angelassen. An der Ordinate 14 sind Zahlenwerte für die Härte in Härtegraden Rockwell angegeben, für die Biege- und Druckfestigkeit in Einheiten von 10-2 MPa.FIG. 3 shows the results for measurements of
Mit den Proben wurden Verschleiss- und Korrosionsversuche zum Vergleich mit anderen korrosionsfesten Werkstoffen durchgeführt.The samples were subjected to wear and corrosion tests for comparison with other corrosion-resistant materials.
Die Vergleichswerkstoffe tragen die Bezeichnungen:
- 16 X235
- 17 X260
- 18 HIP 65S
- 19 GP27
- 16 X235
- 17 X260
- 18 HIP 65S
- 19 GP27
Körper aus den Legierungen 16 bis 19 wurden durch heissisostatisches Pressen hergestellt. Die Legierungen 16 bis 19, die zu den hochlegierten Stählen zählen, weisen dabei die bekannten problematischen Verarbeitungseigenschaften im weichgeglühten Zustand auf.Body of alloys 16-19 were made by hot isostatic pressing. The
Die Verschleiss- und Korrosionsversuche wurden gemäss folgenden Vorschriften durchgeführt:The wear and corrosion tests were carried out according to the following regulations:
Die Verschleissversuche wurden nach dem Stift-Band-Versuch durchgeführt. Das zu prüfende Material wurde mit 3 kg Last auf ein laufendes Schleifband gedrückt und 60 m laufen gelassen. Anschliessend wurde der Volumenverlust bestimmt und bezogen auf 1 m Lauflänge aufgezeichnet.The wear tests were carried out after the pin-tape test. The material to be tested was pressed onto a running sanding belt with 3 kg of load and allowed to run for 60 m. Subsequently, the volume loss was determined and recorded in relation to 1 m run length.
Die Korrosionsversuche wurden im Wesentlichen gemäss ASTM 5 durchgeführt.The corrosion tests were carried out essentially according to
Fig. 4 zeigt das Ergebnis der Verschleissfestigkeitsmessung der erfindungsgemässen Legierung 20 im Vergleich zu den vorbekannten Legierungen 16, 17 und 18. Auf der Ordinate 22 ist der Verschleiss in Einheiten von mm3/m angegeben, wobei niedrige Werte hohen Widerstand gegen Verschleiss bedeuten.4 shows the result of the wear resistance measurement of the
Fig. 1 zeigt die Resultate der Versuche zur Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemässen Legierung 20 im Vergleich zu den bekannten Legierungen 18 und 19. Auf der Ordinate 24 ist der Strom in µA (Mikroampère), auf der Abszisse 25 das angelegte Potential in Volt angegeben. Je niedriger das Stromminimum der Kurven ausfällt, desto höher ist die Beständigkeit gegen Korrosion.1 shows the results of the corrosion resistance tests of the
Die Versuche zeigen, dass die erfindungsgemässe Legierung 20 gegenüber den Vergleichslegierungen 16 bis 19 vergleichbare Eigenschaften bezüglich Korrosionsbeständigkeit und Verschlussfestigkeit aufweist. Im weichgeglühten Zustand zeigten sie jedoch eine wesentlich bessere Bearbeitbarkeit, z.B. auf einer Drehbank.The experiments show that the
Aus der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann Abwandlungen der Erfindung zugänglich, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der allein durch die Patentansprüche definiert ist. Insbesondere sind folgende Abwandlungen denkbar:
- Eine andere Zusammensetzung: Kohlenstoff: 1,6 %; Chrom: 16,0 %; Wolfram: 4,3 %; Molybdän: 1,3 %; Rest Eisen.
- Legierungen mit Zusammensetzungen wie folgt: Kohlenstoff: 1,5 - 1,6 %; Chrom: 15,5 - 16,5 %; Wolfram: 4,0 - 4,5 %; Molybdän: 1,1 - 1,5 %.
- Legierungen mit einem oder mehreren zusätzlichen Legierungsbestandteilen wie folgt:
- 0,2 - 0,8 % Si;
0,6 % Mn;bis bis 0,4 % Ni;
- Another composition: carbon: 1.6%; Chromium: 16.0%; Tungsten: 4.3%; Molybdenum: 1.3%; Rest iron.
- Alloys having compositions as follows: carbon: 1.5-1.6%; Chromium: 15.5-16.5%; Tungsten: 4.0 - 4.5%; Molybdenum: 1.1 - 1.5%.
- Alloys with one or more additional alloying constituents as follows:
- 0.2-0.8% Si;
- up to 0.6% Mn;
- to 0.4% Ni;
Claims (9)
Verdüsen der Schmelze zur Herstellung von Partikeln der Stahllegierung;
heissisostatisches Pressen der Partikel zu einem Stahlkörper.Process for producing the steel according to one of Claims 1 to 5, characterized by the following steps: melting together of the components;
Atomizing the melt to produce particles of the steel alloy;
hot isostatic pressing of the particles to a steel body.
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