SE500006C2

SE500006C2 - High=speed steel mfd. by powder metallurgy - has high toughness in combination with useful hardness and strength

Info

Publication number: SE500006C2
Application number: SE9102298A
Authority: SE
Inventors: Henry Wisell
Original assignee: Erasteel Kloster Ab
Priority date: 1991-08-07
Filing date: 1991-08-07
Publication date: 1994-03-21
Also published as: SE9102298L; SE9102298D0

Abstract

Steel has the following compsn. in wt.%: C 0.6-0.9; Si trace-1.0 max.; Mn trace-1.0 max.; Cr 3-5; Mo 0-5; W 0-10; V 0.7-2; Co 0-14 max.; Nb 0.7-1.5; and Fe balance, where (M0+W/2) is at least 4. Also claimed is an object made from a steel as above wherein, after hardening through soln. heat-treating at 925-1250 deg.C, cooling to room temp. and tempering at 500-600 deg.C, the steel has a microstructure contg. 1-3 vol.% secondarily pptd. M2C- and MC-carbides in a fine-grained martensitic matrix which, aside from the said M2C and MC carbides and Nb carbides, is substantially free from carbides.

Description

'son 006 10 15 20 25 30 35 - god härdbarhet samt möjlighet till utskiljningshärdning genom anlöpning till hårdhetsintervallet 58-65 HRC, och - god seghet i härdat och anlöpt tillstånd genom att stålet innehåller en förhållandevis liten total mängd karbider, max 5 volymprocent, att karbiderna är små och jämnt fördelade, att mikrostrukturen är finkornig (motsvarande austenitkorn med storlekar motsvarande Intercept > 20 enligt Snyder-Graff), och en låg restaustenithalt. 'son 006 10 15 20 25 30 35 - good hardenability and possibility of precipitation hardening by tempering to the hardness interval 58-65 HRC, and - good toughness in hardened and tempered state by the steel containing a relatively small total amount of carbides, max. 5% by volume, that the carbides are small and evenly distributed, that the microstructure is fine-grained (corresponding to austenite grains with sizes corresponding to Intercept> 20 according to Snyder-Graff), and a low residual austenite content.

Dessa och andra villkor kan uppfyllas om stålet ges en balanserad legeringssammansättning enligt de efterföljande patentkraven. I det följande skall valet av de olika legeringselementen kommenteras.These and other conditions can be met if the steel is given a balanced alloy composition according to the following claims. In the following, the choice of the various alloying elements will be commented on.

Härvid kommer även att framföras vissa teorier rörande de mekanismer som anses ligga till grund för de effekter som uppnås. Det skall emellertid inses att det begärda patentskyddet inte är bundet till någon speciell teori.In this connection, certain theories will also be put forward regarding the mechanisms that are considered to be the basis for the effects that are achieved. It should be understood, however, that the claimed patent protection is not bound by any particular theory.

Kol har flera funktioner i detta stål. Först och främst skall kol finnas i en viss halt i grundmassan för att genom martensitbildning ge grundmassan lämplig hårdhet vid avkylning från upplösningstemperaturen och i tillräcklig mängd för att vid anlöpning efter upplösnings- behandling förena sig med i första hand molybden/wolfram och vanadin för att genom bildandet av M2C- resp MC-karbider åstadkomma utskilj- ningshärdning. Kol finns vidare i stålet i form av niobkarbid, som inte löses upp vid härdningsförfarandet utan kan fungera som korn- tillväxthämmare i korngränserna i stålets mikrostruktur. Därför skall kolhalten i stålet vara minst 0.6 % och företrädesvis minst O.65%, lämpligen minst 0.67%. Å andra sidan får inte kolhalten vara så hög att den orsakar sprödhet. Maximal kolhalt i stålet är därför O.85%, företrädesvis max O.8%, lämpligen O.78%. Den nominella kolhalten är 0.75%.Coal has several functions in this steel. First of all, carbon must be present in a certain content in the matrix to give the matrix a suitable hardness during martensite formation when cooled from the dissolution temperature and in a sufficient amount to combine with molybdenum / tungsten and vanadium in the annealing after dissolution treatment. the formation of M2C and MC carbides cause precipitation hardening. Carbon is also present in the steel in the form of niobium carbide, which does not dissolve during the hardening process but can act as a grain growth inhibitor in the grain boundaries of the steel's microstructure. Therefore, the carbon content of the steel should be at least 0.6% and preferably at least 0.65%, preferably at least 0.67%. On the other hand, the carbon content must not be so high that it causes brittleness. Maximum carbon content in the steel is therefore O.85%, preferably max O.8%, suitably O.78%. The nominal carbon content is 0.75%.

Kisel kan förekomma i stålet som restprodukt från desoxidation av stålsmältan i halter som är normala från desoxidationspraxis, dvs max 1.0%, normalt max 0.7%. 10 15 20 25 30 35 500 006 Mangan kan också förekomma i första hand som en restprodukt från den smältmetallurgiska processtekniken, där mangan har betydelse för att på känt sätt oskadliggöra svavelföroreningar genom att bilda mangan- sulfider. pen maximala manganhalten i stålet är l.O%, företrädesvis max O.5%..Silicon can be present in the steel as a residual product from deoxidation of the steel melt at levels that are normal from deoxidation practices, ie a maximum of 1.0%, normally a maximum of 0.7%. 10 15 20 25 30 35 500 006 Manganese can also occur primarily as a residual product from the molten metallurgical process technology, where manganese is important for neutralizing sulfur pollutants in a known manner by forming manganese sulphides. The maximum manganese content in the steel is 1.0%, preferably a maximum of 0.5%.

Krom skall förekomma i stålet i en halt av lägst 3%, företrädesvis lägst 3.5%, för att medverka till att stålets grundmassa - dess matrix - får tillräcklig hårdhet. För mycket krom medför dock restaustenit och risk för överanlöpning. Kromhalten begränsas därför till max 5%, företrädesvis max 4.5%.Chromium must be present in the steel at a content of at least 3%, preferably at least 3.5%, in order to contribute to the steel's matrix - its matrix - having sufficient hardness. Too much chromium, however, entails residual austenite and the risk of over-tarnish. The chromium content is therefore limited to a maximum of 5%, preferably a maximum of 4.5%.

Molybden och wolfram skall förekomma i stålet för att vid anlöpning efter härdning ge tillräckligt sekundärhårdnande genom utskiljning av M2C-karbider, som bidrager till den önskade slitstyrkan hos stålet.Molybdenum and tungsten must be present in the steel in order to give sufficient secondary hardening during tempering after hardening by precipitation of M2C carbides, which contribute to the desired wear resistance of the steel.

Gränserna väljs för att genom anpassning till övriga legeringselement ge lämpligt sekundärhårdnande. Molybden och wolfram bör därför vart och ett förekomma i en halt av 2-4%, lämpligen 2.5-3.5%. I princip kan molybden och wolfram helt eller delvis ersätta varandra, varvid wolfram kan ersättas av halva mängden molybden eller molybden ersättas av dubbla mängden wolfram. Erfarenhetsmässigt vet man emellertid att ungefär lika delar molybden och wolfram är att föredra på den ifråga- varande, totala haltnivån för dessa element, eftersom detta ger vissa tillverkningstekniska, mer bestämt värmebehandlingstekniska, fördelar.The limits are chosen to provide suitable secondary hardening by adaptation to other alloying elements. Molybdenum and tungsten should therefore each be present in a content of 2-4%, preferably 2.5-3.5%. In principle, molybdenum and tungsten can completely or partially replace each other, whereby tungsten can be replaced by half the amount of molybdenum or molybdenum can be replaced by double the amount of tungsten. From experience, however, it is known that approximately equal parts of molybdenum and tungsten are preferred at the total content level of these elements in question, since this provides certain manufacturing technology, more specifically heat treatment technology, advantages.

Den totala mängd M2C-karbider som kan produceras i stålstrukturen vid utskiljningshärdningen är begränsad. För att ytterligare öka stålets hårdhet och slitstyrka efter anlöpning skall stållegeringen därför även innehålla vanadin, som vid anlöpning förenar sig med kol till att bilda MC-karbider, varigenom sekundärhårdnandet genom utskiljnings- härdning förstärks. För att få tillräcklig effekt bör halten vanadin uppgå till minst 0.7%, lämpligen minst 0.8%. Halten vanadin får dock inte vara för hög, för att inte oupplösta primära vanadinkarbider skall bli kvar efter upplösningsbehandlingen, vilket skulle försämra segheten och samtidigt binda kol avsett för utskiljningshärdningen.The total amount of M2C carbides that can be produced in the steel structure during the precipitation hardening is limited. In order to further increase the hardness and wear resistance of the steel after tempering, the steel alloy must therefore also contain vanadium, which on tempering combines with carbon to form MC carbides, whereby the secondary hardening is strengthened by precipitation hardening. In order to have a sufficient effect, the vanadium content should be at least 0.7%, preferably at least 0.8%. However, the vanadium content must not be too high, so that undissolved primary vanadium carbides do not remain after the dissolution treatment, which would impair the toughness and at the same time bind carbon intended for the precipitation hardening.

Därför begränsas vanadinhalten till max l.5%, företrädesvis max 1.3%. 5ÛO 006 10 15 20 25 30 35 Matrix hos kända snabbstål med en sammansättning jämförbar med den uppfinningsenliga blir på grund av korntillväxt spröd vid härdning från hög temperatur, eftersom det mesta av karbiderna löses upp vid upplösningsbehandlingen. Hög seghet erhålls därför konventionellt genom att härda från en lägre temperatur, så att det finns tillräck- ligt mycket karbider kvar i stålet för att hålla tillbaka korntill- väkten. Detta innebär emellertid samtidigt att man får nöja sig med en lägre hårdhet. Detta problem löses enligt uppfinningen genom två EFGPPI - Dels legeras stålet med niob och tillräcklig mängd kol - beträffande kol se ovan - för att bilda en tillräcklig mängd niobkarbid, NbC, som inte i väsentlig grad löses upp vid ovan nämnda, höga temperatur utan blir kvar i oupplöst form och kan fungera som korntillväxt- hämmare.Therefore, the vanadium content is limited to a maximum of 1.5%, preferably a maximum of 1.3%. The matrix of known high speed steels with a composition comparable to that of the invention becomes brittle due to grain growth on hardening from high temperature, since most of the carbides dissolve during the dissolution treatment. High toughness is therefore conventionally obtained by hardening from a lower temperature, so that there are sufficient carbides left in the steel to hold back the grain growth. At the same time, however, this means that you have to settle for a lower hardness. This problem is solved according to the invention by two EFGPPI - First, the steel is alloyed with niobium and a sufficient amount of carbon - regarding carbon see above - to form a sufficient amount of niobium carbide, NbC, which is not substantially dissolved at the above-mentioned high temperature but remains in undissolved form and can act as a barley growth inhibitor.

- Dels tillförsäkras att de primära niobkarbiderna är små och jämnt fördelade i stålet, vilket är ett villkor för att de skall kunna fungera som korntillväxthämmare. Detta villkor tillfredsställs genom den pulvermetallurgiska tillverkningen, vilken tillförsäkrar att niobkarbiderna blir små och jämnt fördelade.- On the one hand, it is ensured that the primary niobium carbides are small and evenly distributed in the steel, which is a condition for them to be able to function as barley growth inhibitors. This condition is satisfied by the powder metallurgical production, which ensures that the niobium carbides are small and evenly distributed.

En lämplig mängd niob i stålet för att under ovanstående förhållanden kunna verka som korntillväxthämmare är O.7%-l.5%, lämpligen 0.8-l.3%.A suitable amount of niobium in the steel to be able to act as a grain growth inhibitor under the above conditions is 0.7% -1.5%, suitably 0.8-1-3%.

Lägre halter niob ger otillräcklig korntillväxthämmande effekt, medan högre halter kan verka försprödande.Lower levels of niobium provide insufficient barley growth inhibitory effect, while higher levels can have a dispersive effect.

Förutom ovan nämnda element innehåller stålet kväve, oundvikliga föroreningar samt andra restprodukter från stålets smältmetallurgiska behandling än de ovan nämnda i normala halter. Kobolt, som kan före- komma i vissa snabbstål och andra verktygsstål, ingår normalt inte i detta stål men kan tolereras i halter upp till max l.0%, företrädesvis max 0.5%. Eftersom stålet skall kunna användas vid rumstemperatur, innehåller stålet emellertid lämpligen ingen kobolt, eftersom detta kan göra stålet mindre segt. Andra element kan avsiktligt tillsättas stålet i mindre halter, under förutsättning att de dels inte ändrar de avsedda interaktionerna mellan stålets legeringselement, dels inte 10 15 20 25 30 35 500 006 försämrar stålets avsedda egenskaper och dess lämplighet för de avsedda applikationerna.In addition to the elements mentioned above, the steel contains nitrogen, unavoidable impurities and other residues from the steel's molten metallurgical treatment than those mentioned above in normal levels. Cobalt, which can be found in certain high-speed steels and other tool steels, is not normally included in this steel but can be tolerated in concentrations up to a maximum of 1.0%, preferably a maximum of 0.5%. However, since the steel can be used at room temperature, the steel preferably does not contain cobalt, as this can make the steel less tough. Other elements can be intentionally added to the steel in smaller concentrations, provided that they do not change the intended interactions between the alloying elements of the steel, nor do they impair the intended properties of the steel and its suitability for the intended applications.

Uppfinningen skall i det följande ytterligare förklaras genom utförda försök samt uppnådda resultat. De undersökta stålens sammansättningar framgår av Tabell 1. Stålen innehöll förutom de i tabellen angivna legeringshalterna endast järn samt föroreningar och accessoriska element i normala halter. Samtliga stål utom stål nr 2 tillverkades av pulver som packades i 200 kg kapslar, som hetisostatpressades vid ll50°C, l h och lOOO bar. Stål nr 2 tillverkades konventionellt i form av göt. Av kapslarna respektive götet tillverkades stänger med dimen- sionen 10 mm 0 genom konventionell varmvalsning.The invention will be further explained in the following by experiments performed and results obtained. The compositions of the examined steels are shown in Table 1. In addition to the alloy levels specified in the table, the steels contained only iron and impurities and accessory elements in normal levels. All steels except steel No. 2 were made of powder packed in 200 kg capsules, which were hetistostat-pressed at 115 ° C, 1 hour and 100 000 bar. Steel No. 2 was conventionally manufactured in the form of ingots. Rods with the dimension 10 mm 0 were manufactured from the canisters and the ingot, respectively, by conventional hot rolling.

Tabell 1 Stål nr C Si _ Mn Cr Mo W V Nb Co 1 0.51 0.43 0.28 4. 3.0 3.1 1.41 - 0.03 2 0.60 0.49 0.31 3. 3.0 2.9 1.20 - 0.02 3 0.81 0.53 0.30 4.14 3.03 3.07 1.00 1.09 - 4 0.75 0.48 0.31 3.99 2.99 3.07 1.01 1.10 - 5 0.70 0.69 0.30 3.97 3.05 3.06 0.99 1.16 , 6 0.83 0.37 0.34 4.1 2.9 3.0 1.1 1.1 0.32 Ett av stålen, stål nr 6, härdades genom upplösningsbehandling vid temperaturer varierande mellan 1050 och l250°C, avkylning till rumstemperatur samt anlöpníng vid 560°C. Upplösningsbehandlingen utfördes-under en tid av 3 min, medan anlöpningen, som upprepades 3 gånger, utfördes under hålltid av 60 min. De uppnådda hårdheterna som funktion av härdningstemperaturen (temperaturen för upplösningsbehandlingen) framgår av Fig. l.Table 1 Steel No. C Si _ Mn Cr Mo WV Nb Co 1 0.51 0.43 0.28 4. 3.0 3.1 1.41 - 0.03 2 0.60 0.49 0.31 3. 3.0 2.9 1.20 - 0.02 3 0.81 0.53 0.30 4.14 3.03 3.07 1.00 1.09 - 4 0.75 0.48 0.31 3.99 2.99 3.07 1.01 1.10 - 5 0.70 0.69 0.30 3.97 3.05 3.06 0.99 1.16, 6 0.83 0.37 0.34 4.1 2.9 3.0 1.1 1.1 0.32 One of the steels, steel no. 6, was hardened by dissolution treatment at temperatures varying between 1050 and l250 ° C, cooling to room temperature and tempering at 560 ° C. The dissolution treatment was carried out for a period of 3 minutes, while the tempering, which was repeated 3 times, was carried out for a holding time of 60 minutes. The hardnesses obtained as a function of the curing temperature (the temperature of the dissolution treatment) are shown in Fig. 1.

I en andra serie försök med stål nr 6 varierade anlöpningstempera- turerna mellan 500 och 600°C. I dessa fall utgick man från prover som härdats från ll80°C. Hårdheten som funktion av anlöpningstemperaturen framgår av Fig. 2.In a second series of tests with steel no. 6, the tempering temperatures varied between 500 and 600 ° C. In these cases, samples cured from 180 ° C were used. The hardness as a function of the tempering temperature is shown in Fig. 2.

Claims

500 006 lO 15 20 25 30 35 PATENT REQUIREMENTS

1. l. High-speed steel, characterized in that it has been produced powder metallurgically and that it has the following chemical composition in% by weight: 0.6 0.85 CI from groove - max 1.0 Si from groove - max 1.0 Mn 3 - 5 Cr 2 - 4 Mo 2 - 4 W 0.7 - 1.5 max 1.0 Co 0.7 - 1.5 Nb essentially only iron, impurities and accessory elements in normal concentrations. Steel according to claim 1, characterized in that it contains 0.6-0.8% C, max 1.0% Si, max 1.0% Mn, 3.5-4.5% Cr, 2.5-3.5% Mo,

2.5-3.5% W, 0.8-1.3% V, max 1.0% Co, 0.8-l.3% Nb.

Steel according to claim 2, characterized .65-O.8% C, max 1.0% Si, max 1.0% Mn, 3.7-4.3% Cr, 2.7-3.3% .7-3.3% W, 0.8-l. 3% V, 0.8-l.3% Nb. O N

Steel according to any one of claims 1-3, characterized in that it contains 0.67-O.78% C.

Steel according to one of Claims 1 to 4, characterized in that it contains a maximum of O.5% Si and a maximum of O.5% Mn.

Steel according to any one of claims 1-5, characterized in that tungsten is wholly or partly replaced by half the amount of molybdenum because it contains Mo, by that by that or that molybdenum is wholly or partly replaced by double the amount of tungsten. 10 15 20 25 30 35

Steel according to any one of claims 1-6, characterized in that it has the nominal composition O.75% C, 0.2-O.5% Si, 0.2-O.5% Mn, 4% Cr, 3% Mo , 3% W, 1% V, 1% Nb. essentially only iron, impurities and accessory elements in normal concentrations.

An article made of a steel according to any one of claims 1-7, characterized in that the steel in the article after curing by solution treatment at a temperature between 1050 and 1250 ° C, cooling to room temperature and tempering between 500 and 600 ° C has a microstructure containing 1-3% by volume of secondary separated M C- and MC-carbides in a fine-grained, mainly martensitic matrix 2 which, in addition to the said M2C- and MC-carbides and niobium carbides, are substantially carbide-free.

9. An article according to claim 8, characterized in that the matrix has a microstructure where the austenite grains have a size corresponding to an Intercept> 20 according to Snyder-Graff.