SE500008C2

SE500008C2 - Snabbstål med god varmhårdhet och slitstyrka framställt av pulver

Info

Publication number: SE500008C2
Application number: SE9102300A
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: WO1993002820A1; DE69217958T2; DE69217958D1; US5525140A; JPH06509842A; EP0598782B1; EP0598782A1; SE9102300L; AU2405892A; SE9102300D0; ATE149391T1

Description

500 008 10 15 20 25 30 35 Större yta Föredragen yta Lämpligaste yta A 1.0/22 A 1.0/22 A' 1.05/21 B 1.5/22 B' 1.4/22 B" 1.4/21 D 2.5/19 ' C' 1.65/19 C' 1.65/18.5 E 2.5/14 D' 2.5/17 D' 2.5/17 F 2.0/14 E' 2.5/15.5 E" 2.5/15.5 H 1.0/17 f' 2.2/15.5 F" 2.2/15.5 G 1.3/17 G 1.3/17 H' 1.0/20 H" 1.05/19.5 Inom den ram som definieras av ovanstående sammansättningsintervall, respektive av nämnda diagram, har utvecklats tre olika ståltyper, var och en för en speciell typ av applikation. En första typ - Typ I - har utvecklats för verktyg som utsätts för i synnerhet stark adhesivt slitage vid hög temperatur, där varmhårdheten är av primär betydelse men där slitstyrkan och därmed karbidmängden inte har samma betydelse som vid abrasivt slitage. Exempel på typiska användningsområden för detta snabbstål av Typ I är verktyg för skärande bearbetning, exempel- vis skärhjul, snäckfräsar, pinnfräsar, etc, i synnerhet för bearbet- ning av kletande material, såsom rostfritt stål, titan och liknande.

Den andra typen - Typ II - har utvecklats med sikte på skärande verktyg, såsom skärhjul, snäckfräsar, pinnfräsar och liknande, som utsätts för en kombination av adhesivt och abrasivt slitage, såsom exempelvis verktyg som används för skärning i sätthärdningsstål och andra konstruktionsstål, seghärdat stål och liknande. Typiskt för detta snabbstål enligt Typ II är att det har en kombination av såväl mycket god varmhårdhet som stor slitstyrka.

Den tredje typen snabbstål inom ramen för uppfinningen - Typ III - har utvecklats med sikte främst på skärande och icke skärande verktyg som utsätts för främst abrasivt slitage. Skärande verktyg kan exempelvis utgöras av skärhjul, snäckfräsar, pínnfräsar och liknande för bear- betning av kolstål med höga halter cementit, vissa gjutstål, verktygs- stål, etc. Bland icke skärande verktyg, där denna typ av snabbstål med fördel kan användas, kan främst nämnas pulverpressningsdynor, där 10 15 20 25 30 35 500 008 stålet enligt uppfinningen kan ersätta hårdmetall som verktygs- material.

I det följande skall valet av de olika legeringselementen förklaras närmare. 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.

Kol har ett flertal funktioner i stålet enligt uppfinningen. Det ingår dels i oupplösta primärkarbider, dels i utskiljningshärdande sekundär- karbider. Kolhalten anpassas därför till halterna av karbidbildare i stålet. Ã andra sidan får kolhalten inte vara så hög att den föror- sakar sprödhet. Dessa villkor ger för de tre ståltyperna följande optimala kolhaltsintervall: Typ I 1.1-1.5 C, företrädesvis 1.1-1.3 C, lämpligen 1.15-1.25 C Typ II 1.2-2.0 C, företrädesvis 1.30-1.65 C, lämpligen 1.30-1.45 C Typ III 2.0-2.5 C, företrädesvis 2.2-2.5 C, lämpligen 2.30-2.45 C Kisel kan förekomma i stålet som restprodukt från desoxidation av stålsmältan i halter som är normala från desoxídationspraxis, dvs max 1.0%, normalt max O.7%. 500 008 10 15 20 25 30 35 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. Den maximala manganhalten i stålet är 1.0%, företrädesvis max O.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%.

Molybden och wolfram skall förekomma i stålet för att vid anlöpning efter upplösningsbehandling ge sekundärhårdnande genom utskiljning av MZC-karbider och därmed bidraga till den önskade varmhårdheten och slitstyrkan hos stålet. De optimala gränserna för molybden och wolfram väljs vid de tre ståltyperna enligt följande för att genom anpassning till övriga legeringselement ge ett sekundärhårdande som är lämpligt för de aktuella applikationerna: Typ I 2-6 Mo, företrädesvis 2.5-3.5 Mo, lämpligen cirka 3 Mo, 3-7 W, företrädesvis 3.5-4.5 W, lämpligen cirka 4 W Typ II 4-8 Mo, företrädesvis 4.5-5.5 Mo, lämpligen cirka 5 Mo, 4-7 W, företrädesvis 6-7 W, lämpligen cirka 6.5 W 10 15 20 25 30 35 500 008 Typ III 4-8 Mo, företrädesvis 6-8 Mo, lämpligen cirka 7 Mo, 4-7 w, företrädesvis 6-7 W, lämpligen cirka 6.5 W Matrix hos snabbstål med liten vanadinhalt och/eller som inte inne- håller niob men som i övrigt har en sammansättning jämförbar med den uppfinningsenliga Typ l, blir pga korntillväxt spröd vid härdning från hög temperatur, eftersom det mesta av karbiderna löses upp vid upplös- ningsbehandlingen. Även snabbstål med vanadinhalter som är normala för konventionella snabbstål blir emellertid spröda om materialet fram- ställs genom konventionell göttillverkning, eftersom man då erhåller stora och i allmänhet ojämnt fördelade primära vanadinkarbider, vilka inte upplöses vid härdningen utan blir kvar i oupplöst form och verkar försprödande.

Dessa problem löses enligt uppfinningen genom två grepp: - Dels framställs stålet pulvermetallurgiskt, varigenom tillförsäkras att primärkarbiderna blir små och jämnt fördelade i stålet.

- Dels legeras stålet enligt Typ I med niob, företrädesvis 1.2-1.8 %, lämpligen cirka 1.5 % Nb och tillräcklig mängd kol för att bilda tillräcklig mängd niobkarbid, NbC, som inte i väsentlig grad löses upp vid härdningstemperaturen utan blir kvar i oupplöst form och kan fungera som tillväxthämmare. Som alternativ till legering med niob legeras stålet enligt Typ II och III istället med så mycket vanadin och kol att inte alla primära vanadinkarbider kan lösas upp vid härdningen på grund av stålets begränsade förmåga att lösa kol.

Trots en hög temperatur vid upplösbehandlingen löses därför inte all vanadínkarbid upp utan blir kvar oupplöst såsom små och jämnt fördelade karbider, vilka kan fungera som korntillväxthämmare.

Dessutom ger dessa oupplösta MC-karbider den önskvärda slitstyrkan mot abrasivt slitage. Den vanadínkarbid som upplöses, utskiljs emellertid åter som MC-karbíder vid anlöpning efter härdning och 500 G08 medverkar härvid till en förstärkning av sekundärhårdnandet, och detta gäller vid samtliga stål inom ramen för uppfinningen. Alltför mycket vanadin kan emellertid förorsaka sprödhet. 5 Vanadin har alltså en nyckelroll vid alla stållegeringar inom ramen för uppfinningen och bör för de specifika applikationerna optimalt förekomma i följande halter: Typ I 10 1.3-3.5 V, företrädesvis 1.3-1.7 V, lämpligen cirka 1.5 V Typ II 15 2.5-7 V, företrädesvis 2.5-3.5 V, lämpligen cirka 3 V Typ III 20 4-7 V, företrädesvis 6-7 V, lämpligen cirka 6.5 V Kobolt tillsätts primärt för att ge en hög varmhållfasthet åt stålet 25 för alla dess avsedda applikationer. Kobolt har även betydelse för hårdheten genom att påverka restaustenithalten, så att denna vid anlöpningen lätt omvandlas till martensit. Kobolt och kol kan därför i viss utsträckning sägas balansera varandra. Av dessa skäl bör kobolt optimalt förekomma i följande halter vid de tre avsedda huvud- 30 applikationerna enligt uppfinningen: TyPI 17-22 co, företrädesvis 18-22 Co, 35 lämpligen cirka 20 Co 10 15 20 25 30 35 500 008 Typ II 15-19 Co, företrädesvis 17-19 Co, lämpligen cirka 18 Co Typ III 15-18 Co, företrädesvis 15-17 Co, lämpligen cirka 16 Co Förutom ovan nämnda element innehåller stålet kväve, oundvikliga föroreningar samt andra restprodukter från stålets smältmetallurgiska behandling än de ovan nämnda i normala halter. Andra element kan avsiktligt tillsättes stålet i mindre halter, under förutsättning ett de dels inte ändrar de avsedda interaktionerna mellan stålets legeringselement, dels inte försämrar stålets avsedda egenskaper och dess lämplighet för de avsedda applikationerna.

Snabbstâlet enligt uppfinningen och dess egenskaper skall i det följande ytterligare belysas genom utförda försök. Härvid kommer att hänvisas till bifogade ritningsfigurer, av vilka Fig. l i form av ett diagram visar hur hårdheten efter härdning och anlöpning varierar beroende på härdningstemperaturen hos några stål enligt Typ I inom ramen för uppfinningen samt hos ett jämförelsestål, Fig. 2 i form av ett diagram visar hur hårdheten varierar beroende på anlöpningstemperaturen hos stål av Typ I inom ramen för uppfinningen och hos jämförelsestålet, Fig. 3 i form av ett diagram visar hur hårdheten efter härdníng och anlöpning varierar beroende på härdningstemperaturen hos några stål enligt Typ II inom ramen för uppfinningen samt hos ett jämförelsestål, 500 lO 15 20 25 30 35 ÛUS Fig.

Fig.

Fíg.

Fig. i form av ett diagram visar hur hårdheten varierar beroende på anlöpningstemperaturen hos stål av Typ II inom ramen för uppfinningen och hos jämförelsestålet, i form av ett diagram visar hur hårdheten efter härdning och anlöpning varierar beroende på härdningstemperaturen hos några stål enligt Typ III inom ramen för uppfinningen samt hos ett jämförelsestål, i form av ett diagram visar hur hårdheten varierar beroende på anlöpningstemperaturen hos stål av Typ III inom ramen för uppfinningen och hos jämförelsestålet, och utgör ett diagram som i form av en kurvskala visar hur varmhårdheten varierar dels beroende på karbidvolymen, dels beroende på kobolthalten i stålen. utgör ett koorinatdiagram som visar ytor för kol- och kobolthalter med varierande snävhetsgrad.

De undersökta stålens sammansättningar framgår av Tabell 1. I denna tabell har även inlagts sammansättningarna hos de kommersiella stålen ASP R 23, ASP R 30 och ASP R 60.

Tabell 1 Nb Co Mo Ni Cr Mn S1 Stål nr Charge nr 1.22 3.1 .03 3.1 3.0 .06 .24 .49 .69 911oøs, ASP 23 4 1.23 3.1 8.0 3.0 3.0 5.0 .09 4.0 4.0 .20 .52 .61 1.3 911008, Asp ao, 10.5 17.1 6.5 ASP 60 2.1 2.5 4.1 .52 .42 .65 1.14 1.22 1.18 911282 911383 911384 911385 911386 911387 911388 911389 911391 911392 911393 1.45 1.47 1.50 1.47 1.47 1.47 3.00 2.95 3.10 3.00 6.40 6.30 6.45 .20 3.02 4.20 19.2 .21 3.04 4.20 19.5 3.05 5.00 4.90 .30 3.90 .27 3.90 3.90 4.07 4.05 4.10 .50 .53 4.20 19.5 .19 .26 .27 .53 6.50 18.3 6.60 6.70 .26 .50 .49 1.26 1.35 1.37 1.42 2.32 10 11 12 13 14 15 16 19.7 .25 .27 17.9 .25 5.10 .28 .52 .24 5.00 6.60 18.0 7.00 6.70 7.00 6.50 6.95 6.70 .3O 4.10 .33 .54 13.2 .22 3.90 3.90 3.95 .55 13.5 13.4 .23 .31 .57 2.40 2.42 .22 .30 .54 ASP utgör Kloster Speedsteel AB's registrerade varumärke 500 008 500 008 l0 l5 20 25 30 35 lO Samtliga stål framställdes pulvermetallurgiskt i form av 200- kilokapslar, som konsoliderades till fullständig täthet genom hetisostatisk pressning vid ll50°C, l h och l000 bar.

Av det framställda materialet tillverkades provstavar som härdades från temperaturer varierande mellan l050-l220°C, avkyldes till rumstemperatur och anlöptes vid temperaturer varierande mellan 500-600°C. Som framgår av kurvorna i diagrammen i Fig. l-6 varierade hårdheten beroende på dels härdningstemperatur och anlöpnings- temperatur, dels beroende pâ legeringsnivâ hos de tre huvudtyperna I, II och III av stålet enligt uppfinningen.

Varmhårdheten, som är av stor betydelse för att förhindra plastisk deformation vid de temperaturer där stålet är avsett att arbeta, framgår av den övre kurvan i Fig. 7 för uppfiningsenliga stål, medan den mittre kurvan visar varmhårdheten för stål med något lägre kobolthalt, medan den nedre kurvan avser kända stål utan väsentliga mängder kobolt. Varmhârdheten är som synes starkt avhängig av karbidvolymen, som i sin tur är beroende av halten kol och karbidbildare. För att få en hög varmhârdhet i stål med i övrigt likartade legeringsnivåer är den uppfinningsenligt höga kobolthalten av avgörande betydelse.

Claims

10 15 20 25 30 35 500 008 ll PATENTKRAV

1. Snabbstål med god varmhårdhet och stor slitstyrka, k ä n n e - t e c k n a t av att det är framställt pulvermetallurgiskt och att det har följande legeringssammansättning i vikts-%: 1.0 - 2.5 C max 1.0 Si max 1.0 Mn 3 - 5 Cr 2 - 8 Mo 3 - 8 1.3 - 7 14 - 22 Co O - 2 Nb rest väsentligen endast järn, föroreningar och accessoriska element i normala halter.

2. Snabbstål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att, i sammansättningen för detta stål, kolhalten och kobolthalten ligger inom ytan ABDEFH i koordinatdiagrammet i bifogade Fig. 8.

3. Snabbstål enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att kol- och kobolthalterna ligger inom ytan AB'CD'E'F'GH' i bifogade Fig. 8.

4. Snabbstål enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att kol- och kobolthalterna ligger inom ytan A'B"C'D'E"F"GH“ i bifogade Fig. 8.

5. Snabbstål enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller: 500 UBS 12 max 1.0 S1 max 1.0 Mn 3 - 5 Cr 5 2 - 6 Mo 3 - 7 W 1.3 - 3.5 17 - 22 Co O - 2 Nb 10

6. Snabbstål enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller: 1.1 - 1.3 C 15 3.5 - 4.5 Cr 2.5 - 3.5 Mo 3.5 - 4.5 1.3 - 1.7 18 - 22 Co 20 1.2 - 1.8 Nb

7. Snabbstål enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att det har den nominella sammansättningen: 25 1.15 - 1.25 C 0.4 Si 0.3 Mn 4 Cr 3 Mo 30 4 1.5 20 Co 1.5 Nb 35 rest väsentligen endast järn, föroreningar och accessoriska element i normala halter. 10 15 20 25 30 35 500 008 13

8. Snabbstål enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller: 1.2 - max 1. max 1. 3 _ 4 _ 4 _ 2.5 - 15 - O O 2.5 C \I\'|CDU'1 19 Si Mn Cr Mo W Co rest väsentligen endast järn, föroreningar och accessoriska element i normala halter.

9. Snabbstål enligt krav 5 eller 8, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller: 1.30 max 1. max 1. 3.5 4.5 6 2.5 17

10. Snabbstål enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t 19 (A)\IU1b .65 C Si Cr Mo Co av att det har följande legeringssammansättning i vikts-%: 500 008 14 1.30 - 1.45 C 0.4 Si 0.3 Mn 4 Cr 5 5 Mo 6.5 W 3 V 18 Co 10 rest väsentligen endast järn, föroreningar och accessoriska element i normala halter.

11. Snabbstål enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller: 15 2.0 - 2.5 C max 1.0 S1 max 1.0 Mn 3.5 - 4 5 Cr 20 4 - 8 Mo 4 - 7 W 4 - 7 V 15 - 18 Co 25

12. Snabbstål enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller: 2.2 - 2.5 C max 1.0 Si 30 max 1.0 Mn 3.5 - 4.5 Cr 6 - 8 Mo 6 - 7 6 - 7 35 15 -17 Co 10 15 20 25 30 35

13. snabbstål enligt krav 12, k ä' n n e t e c k n a t följande legeringssammansättning i vikts-%: 2.45 C Si Mn Cr Mo W Co 15 500 Û08 av att det har rest väsentligen endast järn, föroreningar och accessoriska element i normala halter.