HUP0303947A2

HUP0303947A2 - Nagy szívósságú szerszámacél, eljárás az acélból készített alkatrész előállítására, és az acélból az eljárással készített alkatrész

Info

Publication number: HUP0303947A2
Application number: HU0303947A
Authority: HU
Inventors: Jean Beguinot; Dominique Viale
Original assignee: Usinor
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2004-03-29
Also published as: US7445750B1; CA2444175A1; AR033220A1; TW554050B; DE60201984T2; FR2823768B1; CZ20032755A3; JP2004526060A; CA2444175C; MY127296A; JP4523230B2; BR0209018A; CZ297762B6; MXPA03009445A; BR0209018B1; SK12992003A3; PL363285A1; HUP0303947A3; UA74258C2; HU228835B1

Abstract

A találmány szerinti szerszámacél tömegszázalékos összetétele akövetkező: 0,8 ú C ú 1,5 5,0 úCr ú 14 0,2 ú Mn ú 3Ni ú 5 V ú 1Nb ú 0,1 Si+Al ú 2Cu ú 1 S ú 0,3Ca ú 0,1 Se ú 0,1Te ú 0,1 1,0 ú Mo+1/2W ú 40,06 ú Ti+1/2Zr ú 0,15 0,004 úN ú 0,02 valamint vas és az olvasztásból származószennyezők, ahol: 2,5 x 10-4 %2 (Ti + 1/2 Zr) x N. A találmányszerinti szerszámacélból készült alkatrész előállítása soránacélolvadékot állítanak elő az ötvözet elemeinek megolvasztásával,kivéve a titánt és/vagy cirkóniumot, amely(ek)et az olvadékbaadagolnak oly módon, hogy közben megakadályozzák ezen elemek lokáliskoncentrálódását, majd az acélolvadékból tuskót vagy bugát öntenek ésa tuskót vagy bugát melegen alakítva és adott esetben hőkezelveelőállítják az alkatrészt. Az így előállított alkatrészben a dermedéssorán keletkező króm-, molibdén- vagy volfrámkarbid kiválások átlagosmérete 2,5-6 <m. Ó

Description

99610-2709 Er

KÖZZÉTÉTELI PÉLDÁNY

NAGYSZÍVÓSSÁGÚ SZERSZÁMACÉL, ELJÁRÁS AZ ACÉLBÓL KÉSZÍTETT ALKATRÉSZ ELŐÁLLÍTÁSÁRA, ÉS AZ ACÉLBÓL AZ

ELJÁRÁSSAL KÉSZÍTETT ALKATRÉSZ

A jelen találmány tárgya nagyszívósságú szerszámacél, eljárás az acélból készített alkatrész előállítására, és az acélból az eljárással készített alkatrész.

A szerszámacélokat elterjedten használják a legkülönbözőbb célokra, különösen azokban az esetekben, amikor fémből készült alkatrészek érintkeznek egymással, ahol az egyik alkatrésznek a lehető leghosszabb ideig meg kell tartania geometriai alakját. Példaként lehet említeni a forgácsoló szerszámokat vagy a mérőeszközöket.

Az ilyen eszközök geometriai alakjának megtartása igen jó kopásállóságot, a deformációknak történő ellenállást és nagy szilárdságot igényel mind statikus, mind dinamikus terhelések esetén, vagyis az acélnak rendkívül nagy szívóssággal és keménységgel kell rendelkeznie.

Ezen túlmenően az ilyen minőségű acéloknak a keményíthetősége is kiváló kell legyen, annak érdekében, hogy a szerkezet az edzés után minél nagyobb mélységben minél homogénebb legyen.

A fenti követelmények azonban többnyire egymásnak ellentmondanak. Például az AISI D2 jelű szerszámacél, amely hideg megmunkálásra használatos és elterjedten alkalmazott, 1,5 tömeg% karbont és 12 tömeg% krómot tartalmaz. Az ötvözet tartalmaz továbbá néhány karbidképző elemet is, mint például a molibdén vagy a vanádium. (A továbbiakban az ötvözetek százalékos összetételét mindig tömeg%-ban fogjuk megadni.) Az acél magas karbon- és króm tartalma azonban az acélolvadék dermedése során jelentős mennyiségű kiválást eredményez. A kiválások M7C3 típusú eutektikus karbidok, amelyek a dermedés során magas hőmérsékleten válnak ki, és ennek megfelelően durvaszemcsés, inhomogén fázisokat képeznek a fém mátrixban.

Jóllehet a kemény karbidoknak az acélban nagy mennyiségben történő jelenléte kedvező a kopásállóság szempontjából, inhomogén eloszlásuk igen kedvezőtlenül befolyásolja a szívósságot.

A fenti probléma kiküszöbölésére javasolták a szén- és króm tartalom csökkentését az ilyen minőségű acélokban (1 %, illetve 8 %), ennek kompenzálásaképpen pedig magasabb: mintegy 2,5 % molibdén tartalmat írtak elő (lásd az EP 0,930,374 számú szabadalmi leírást). A széntartalom csökkentése az eutektikus karbid kiválások csökkenésével jár, ami kedvező a szívósság szempontjából. Ugyanakkor a molibdén tartalom növekedése növeli a keménységet és a kopásállóságot.

A karbideloszlás finomítását viszont fokozni kellene ahhoz, hogy a szívósságot növelni lehessen, mégpedig anélkül, hogy csökkentenénk a keménység és a kopásállóság értékeit.

Találmányunk alapja az a felismerés, hogy a szívósság és a mechanikai szilárdság, valamint a kopásállóság közötti ellentmondás feloldására meglepő módon az ötvözet nitrogén tartalmának, valamint minimális titán és/vagy cirkónium tartalmának beállításával van mód.

Azt találtuk, hogy a króm, molibdén és titán karbidok finomszemcsés szerkezetének elérése és egyidejűleg a szívósság növelése is lehetséges, ha

- egyrészről a nitrogén tartalom meghaladja a 0,004 %-ot, előnyösen a 0,006 %-ot, és másrészről a (Ti + ¹ZZr) x N > 2,5 x 10'⁴%², ahol a Ti, Zr és N tartalom is tömeg%-ban van kifejezve.

Ezek a nitrogénre, valamint a titánra és cirkóniumra vonatkozó feltételek azt sugallják, hogy az aktív tényező jelen esetben a titán és/vagy cirkónium nitridek jelenléte, amelyek feltehetőleg a króm, molibdén és wolfram karbidok szemcsenagyságát csökkentő hatást fejtenek ki. A durva króm, molibdén és wolfram karbidok átlagos mérete a hagyományos acélokban általában 10 μm, a találmány szerinti megoldásnál pedig ezzel szemben 4 pm.

A találmány szerinti nagyszívósságú szénacél tömegszázalékos összetétele a következő:

	0,8	<	c	<	1,5
	5,0	<	Cr	<	14
5	0,2	<	Mn	<	3
			Ni	<	5
			V	<	1
			Nb	<	o,1
			Si+AI	<	2
10			Cu	<	1
			S	<	0,3
			Ca	<	0,1
			Se	<	0,1
			Te	<	0,1
15	1,0	<	Mo+7W	<	4
	0,06	<	Ti+7Zr	<	0,15
	0,004	<	N	<	0.02

valamint vas és az olvasztásból származó szennyezők, ahol : 2,5 x 10‘⁴%² < (Ti + ¹/₂ Zr) x N.

20	Egy célszerű kiviteli alaknál
	0,8	< C	<	1,2
	7,0	< Cr	<	9
	0,2	< Mn	<	1,5
		Ni	<	1
25	0,1	< V	<	0,5
		Nb	<	0,1
		Si+AI	<	1,2
		Cu	<	1
		S	<	0,3
30		Ca	<	0,1
		Se	<	0,1

Te <0,1

2,4 < Mo+%W <3

0,004 < Ti+%Zr <0,15

0,004 < N <0,02 valamint vas és az olvasztásból származó szennyezők, ahol :

2,5 x 10’⁴%² < (Ti + % Zr) x N.

Látható, hogy a találmány szerinti szénacélban a titán és/vagy cirkónium mennyisége 0,06 és 0,15 % között van. Ennek az az oka, hogy 0,15 % fölött a titán és/vagy cirkónium nitridekből álló kiválások összeolvadnak és elvesztik hatékonyságukat. Másfelől, ha ezek az elemek 0,06 %-nál kisebb mennyiségben vannak jelen, nem keletkezik elegendő mennyiségű titánés/vagy cirkónium karbid ahhoz, hogy a kopásállóság és a szívósság megfelelő növekedését eredményezze. Megjegyezzük, hogy a cirkónium részben vagy teljesen helyettesíthető titánnal, mégpedig oly módon, hogy két rész cirkónium egy rész titánnak felel meg.

A találmány szerinti acél nitrogéntartalma 0,004 és 0,02 % között, előnyösen 0,006 és 0,02 % kell legyen. A 0,02 %-os felső határ fölött ugyanis a szívósság már csökkenni kezd.

Az acél szén tartalma 0,8 és 1,5 % között, előnyösen 0,8 és 1,2 % között kell legyen, minthogy a szén mennyiségének elegendőnek kell lenni a karbidok képződéséhez, annak érdekében, hogy a minőségi követelményeknek megfelelő keménységi érték elérhető legyen.

Egy másik célszerű kiviteli alaknál az acél széntartalma 0,9 és 1,5 % között lehet, egyrészt a keménység további növelése érdekében, másrészt a kopásállóságnak a keménykarbid kiválások térfogatarányának növelésével történő kopásállóság növekedéshez.

A találmány szerinti acél krómtartalma 5 és 14 % között kell legyen, az arány célszerűen 7-9 %. A króm teszi lehetővé ugyanis egyfelől a megfelelő keménység elérését, másfelől pedig a karbidok képződését.

Az acél mangántartalma 0,2 és 3 % között, előnyösen 0,2 és 1,5 % között van. Ez az ötvöző is a keménységet fokozza, de mennyiségét korlátozni kell, annak érdekében, hogy a szegregációt korlátozzuk, különben a forgácsolhatóság csökken, és a szívósság sem kielégítő.

Az acélnak tartalmaznia kell legfeljebb 5 % nikkelt is. A nikkel mennyisége előnyösen nem haladja meg az 1 %-ot. Adagolása azért szükséges, mert a keménységet fokozó adalék, és nem okoz szegregációs problémát. Mindazonáltal a mennyiségét korlátozni kell, mert a maradék ausztenit képződést elősegítő gamma fázist képezhet. A kilágyulási ellenállással szemben, amely gyakran előfordul, ha az acélt felhasználás előtt temperálják, célszerű erősen karbidképző elemeket adni az ötvözethez. Ezek a temperálás során MC típusú finomszemcsés karbidokat képeznek.

A finomszemcsés karbidokat képező elemek közül a vanádium alkalmazása a legelőnyösebb, a felhasznált mennyiség általában legalább 0,1 %, de nem több, mint 1 %, célszerűen kevesebb, mint 0,6 %.

A nióbium magas hőmérsékleten kiválásokat képez, ami jelentős mértékben rontja a forgácsolhatóságot, ezért általában célszerű elkerülni, vagy legfeljebb 0,1 %, előnyösen legfeljebb 0,02 % mennyiségben lehet alkalmazni.

Az acél szilícium- és/vagy alumíniumtartalma is kevesebb kell legyen 2 %-nál. A dezoxidáló hatásától eltekintve ezek az elemek lelassítják a karbidok összeolvadását az adott hőmérsékleten, és ennek következtében csökkentik a temperálás során a kilágyulás mértékét. Alkalmazásuk azonban korlátozott, mivel 2 % fölött már ridegedést eredményez.

A találmány szerinti szerszámacélban a molibdén- és/vagy wolframtartalom 1 és 4 % között, előnyösen 2,4 és 3 % között kell legyen. Megjegyzendő, hogy a wolframot teljes egészében vagy részben lehet molibdénnel helyettesíteni, ahol is egy rész molibdént két rész wolfram helyett lehet alkalmazni.

Ez a két elem teszi lehetővé az acél keménységének növelését, és a keménységet eredményező karbidok képződését. Ugyanakkor az alkalmazott mennyiséget korlátozza az a tény, hogy bizonyos mennyiség fölött már szegregációt eredményeznek.

Az ötvözet tartalmazhat rezet is, de ennek mennyisége kevesebb kell legyen, mint 1 %, annak érdekében, hogy az anyag forgácsolhatóságát ne rontsa.

A forgácsolási tulajdonságok javítására az acél tartalmazhat ként 0,3 %-nál nem nagyobb mennyiségben és lehetőleg kalciummal, szelénnel vagy tellúrral együtt. Ezek mindegyike 0,1 % kisebb mennyiségben lehet csak jelen.

Az acél olvasztásakor, beleértve a titán és/vagy cirkónium hozzáadását is, a hagyományos megoldásokat lehet alkalmazni, de célszerű az ugyancsak a jelen találmány tárgyát képező eljárás alkalmazása. A találmány szerinti eljárás első lépéseként acélolvadékot állítunk elő az ötvözet elemeinek megolvasztásával, kivéve a titánt és/vagy cirkóniumot, amely(ek)et az olvadékba adagolunk oly módon, hogy közben megakadályozzuk ezen elemek lokális koncentrálódását.

Erre azért van szükség, mert felismertük, hogy a titán és cirkónium hagyományos módon történő adagolásakor, amikor is vas ötvözetként vagy fémes anyagként történik a bevezetés, kisszámú, durvaszemcsés titán és/vagy cirkónium nitrid keletkezik, annál is inkább, mert ezek vagy egy részük, hajlamos a leülepedésre. Ezért van az, hogy a hagyományos beadagolás esetén jelentős mértékű túlkoncentrálódás jön létre azokon a helyeken, ahol a titánt és/vagy cirkóniumot bevezettük az olvadékba.

A fenti lépést lehet úgy végezni, hogy a titánt és/vagy cirkóniumot folyamatosan vezetjük a fémolvadék tetején úszó salakrétegbe, ahonnan fokozatosan szivárogtatjuk a fémolvadékba.

A bevezetés egy másik lehetséges módja, amikor a titánt és/vagy cirkóniumot huzal formájában adagoljuk az olvadékba, és közben az olvadékot keverjük. A keverés történhet buborékok átvezetésével vagy egyéb ismert módon.

Egy további lehetőség az ötvözőelemek bevitelére az, hogy a titánt és/vagy cirkóniumot por alakban adagoljuk az olvadékba. A keverés itt is levegőztetéssel vagy bármilyen egyéb ismert módon történhet.

Ismételten hangsúlyozzuk, hogy a találmány szerinti ötvözet előállítása során célszerű a fenti eljárási lépések valamelyikét alkalmazni, de a találmány semmiképpen sem korlátozódik ezekre a lépésekre, a titán és a cirkónium bevitele tetszőleges módon történhet.

Az olvasztást általában ívkemencében vagy indukciós kemencében végezzük.

Az olvasztás után az acélolvadékot tuskókká, illetve bugákká öntjük. Annak érdekében, hogy finomszemcsés szerkezetet nyerjünk, célszerű az olvadékot még a kokillában is keverni. Alkalmazható elektrosalakos újraolvasztás fogyó elektródával is.

Az így nyert tuskókat vagy bugákat ezután a kívánt eljárással, általában melegalakítással vagy kovácsolással, illetve hengerléssel alakítjuk.

Az acélt ezek után a hagyományos módon hökezelhetjük, hasonlóképpen a többi szerszámacélhoz. Ilyen hőkezelés adott esetben tartalmazhat lágyító izzítást is, annak érdekében, hogy könnyebb legyen az anyag 10 forgácsolása, és ezután lehet ausztenitizáló hőkezelést, majd lehűtést végezni, a munkadarab vastagságától függően, levegőben vagy olajban. Ezt követően célszerűen izzítás következik, amelynek paraméterei a kívánt keménység értékétől függenek.

A jelen találmány vonatkozik magára az alkatrészre is, amit a találmány 15 szerinti ötvözetből, illetve a találmány szerinti eljárással állítunk elő. Az alkatrészben a króm, molibdén vagy wolframkarbid kiválások a dermedés során 2,5 és 6 μm, előnyösen 3 és 4,5 μm közötti nagyságúak.

A találmány további részleteit kiviteli példák segítségével ismertetjük. Az alábbiakban bemutatott 1. táblázat tartalmazza a vizsgált acélok összetételét, 20 ahol az 1 jelű adag a találmány szerinti ötvözet, a 2 jelű adag pedig a kontrol.

1. TÁB LÁZAT

Összetétel (tömeg%)	1. adag	2. adag
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
Al	0,03	0,03
Mo	2,60	2,50
W	-	-
Ti	0,11	0,004
Zr	-	-
N	0,011	0,009

A táblázatban használt rövidítések:

WL: térfogatveszteség (mm³)

K_w: törési energia (J/cm²)

T: szívósság (J/cm²)

1. Példa

Mind az 1 jelű, mind a 2 jelű adagból két-két alkatrészt gyártottunk hengerléssel 1150 °C hőmérsékleten, és a hengerelt darabokat 1050 °C 10 hőmérsékleten ausztenitizáltuk 1 órán át, majd olajban lehűtöttük őket, és végül kettős temperálást végeztünk 525 °C hőmérsékleten egy órán át, 60 Rockwell C keménység eléréséig.

Ezután két vizsgálat-sorozatot végeztünk különböző eljárásokkal a szívósság meghatározására:

- Charpy ütővizsgálatot végeztünk V bemetszéssel ellátott próbadarabokon az NF EN 10045-2 szabvány szerint, és meghatároztuk a K_w törési energiát,

- ütőmunka vizsgálatot végeztünk bemetszés nélküli, 10x10 mm-es keresztmetszetű próbadarabon a T szívóssági érték meghatározására.

A kapott eredményeket az alábbi táblázat mutatja:

	K_w (J/cm²)	T (J/cm²)
1	14,0	59
2	10,5	47

A táblázatból látható, hogy mindkét vizsgálat eredményeképpen az 1 jelű darab szívóssága jobbnak mutatkozik, mint a 2 jelű mintából készítetté.

2. Példa

Ezúttal is két munkadarabot készítettünk az 1. példában bemutatott módon, és kopásállóságot mértünk az ASTM G52 szabvány szerint, amely meghatározza a megengedett térfogatveszteséget a vizsgálat során. A vizsgálat abból áll, hogy a mintadarab súlyveszteségét mérjük, miközben a próbadarabot egy gumi bevonatú forgó kerékkel érintkeztetjük, és kalibrált szemcsenagyságú kvarchomok szemcséket juttatunk az álló és a mozgó felület közé.

A vizsgálat eredményét az alábbi táblázat mutatja.

	VL (mm³)
1	17,5
2	18,5

Látható, hogy az 1 jelű darabnak, amely a találmány szerint készült, a kopási ellenállása is jobb, mint a 2 jelű adagból készültnek.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Szerszámacél, azzal jellemezve, hogy tömegszázalékos összetétele a

5 következő:

0,8 < C < 1,5

5,0 < Cr < 14

0,2 < Mn < 3

Ni < 5

10 V < 1

Nb < 0,1

Si+AI < 2

Cu < 1

S < 0,3

15 Ca < 0,1

Se < 0,1

Te < 0,1

1,0 < Mo+yw < 4

0,06 < Ti+¹/₂Zr < 0,15

20 0,004 < N < 0,02 valamint vas és az olvasztásból származó szennyezők, ahol:

2,5x10 ⁴%² < (Ti + y₂ Zr) x N.
2. Az 1. igénypont szerinti szerszámacél, azzal jellemezve, hogy

25 tömegszázalékos összetétele a következő:

0,8 < C < 1,2

7,0 < Cr < 9

0,2 < Mn < 1,5

Ni < 1

0,1 < V < 0,5

Nb < 0,1

Si+AI < 1,2

Cu < 1

S < 0,3

Ca < 0,1

Se < 0,1

Te < 0,1

2,4 < Mo+¹AW < 3

0,004 < Ti+YZr < 0,15

0,004 < N < 0,02 valamint vas és az olvasztásból származó szennyezők, ahol:

2,5 x 10'⁴%² < (Ti +%Zr)xN.
3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti szerszámacél, azzal jellemezve, hogy nióbium tartalma legfeljebb 0,02 %.
4. Az 1 - 3. igénypontok bármelyike szerinti szerszámacél, azzal jellemezve, hogy nitrogén tartalma legfeljebb 0,006 és 0,02 % között van.
5. Eljárás az 1 - 4. igénypontok bármelyike szerinti szerszámacélból készült alkatrész előállítására, azzal jellemezve, hogy • acélolvadékot állítunk elő az ötvözet elemeinek megolvasztásával, kivéve a titánt és/vagy cirkóniumot, amely(ek)et az olvadékba adagolunk oly módon, hogy közben megakadályozzuk ezen elemek lokális koncentrálódását, majd • az acélolvadékból tuskót vagy bugát öntünk és • a tuskót vagy bugát melegen alakítva és adott esetben hőkezelve előállítjuk az alkatrészt.
6. Az 5. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a titánt és/vagy cirkóniumot folyamatosan az olvadék felszínén lévő salakrétegbe adagoljuk, majd onnan a fémfürdőbe szivárogtatjuk.
7. Az 5. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a titánt és/vagy cirkóniumot huzal formájában adagoljuk az olvadékba és közben az olvadékot keverjük.
8. Az 5. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a titánt és/vagy cirkóniumot por alakban adagoljuk az olvadékba és közben az olvadékot keverjük.
9. Alkatrész, amely az 1 - 4. igénypontok bármelyike szerinti szerszámacélból az 5 - 8. igénypontok bármelyike szerinti eljárással készült, azzal jellemezve, hogy a dermedés során keletkező króm-, molibdén- vagy wolframkarbid kiválások átlagos mérete 2,5 - 6 μητ
10. A 9. igénypont szerinti alkatrész, azzal jellemezve, hogy a dermedés során keletkező króm-, molibdén- vagy wolframkarbid kiválások átlagos mérete 3 - 5 μm.