FR2469979A1 - Cast cutting tool steel - has rare earth metal content, pref. also niobium and/or zirconium, and is surface carburised after casting (HU 28.12.79) - Google Patents

Abstract

In the casting of steel cutting tools a rare earth metal pref. and/or Zr and/or Nb in amount of 0.1-0.8% is added to the melt before or during pouring and the surface layer of the cast is enriched to minimum of 0.6% C to a depth of at least 1 mm. The steel contains 2-6% Cr, 0-24% W, 0-10% Mo, 0.5-8% V, 0-10% Co, 0-3% Ti, 0.2-0.4% C, balance Fe and Mn, Si, P and S impurities. Preferably 0.2-0.3% Zr, Nb and/or rare earth is added. Mischmetal of Fe-Ce, Si-Zr or Fe-Nb are preferred additives. The surface layer is carburised to at least 0.7% to depth not less than 1 mm. by case hardening, gaseous carburisation or carburisation in a molten salt bath. Increased toughness and wear resistance and versatility of cutting edge is at least equal to rolled or forged high speed cutting tools at lower cost.

Description

La présente invention est relative à un procécé de fabrication d'outils de coupe par moulage d acier allié. The present invention relates to a process for manufacturing cutting tools by molding of alloy steel.

Une grande partie des outils de coupe sont constitués d'acier rapide. I1 existe essentiellement deux procédés de fabrication de cesderniers. A large part of the cutting tools are made of high speed steel. There are essentially two methods of manufacturing these.

Conformément à l'un des procédés, l'acier est moulé en bloc ou en lingot et l'acier brut ainsi obtenu est ensuite étiré par un procédé de formage à chaud tel que le forgeage et le laminage pour obtenir un produit intermédiaire dont les dimensions correspondent à celles de 11 outil désiré. According to one of the methods, the steel is molded in a block or in an ingot and the raw steel thus obtained is then drawn by a hot forming process such as forging and rolling to obtain an intermediate product whose dimensions correspond to those of the desired tool.

Ledit formage préliminaire sert non seulement à obtenir un produit intermédiaire qui est prêt par ses dimensions à être ensuite transformé, mais il est également destiné à décomposer les carbures primaires bruts, spécialement les eutectiques de carbures ayant été formés au cours de la solidification d'un acier contenant généralement plus de 0,7 % de carbone et également des éléments d'alliage formant des carbures (Cr, Mo, W, V). I1 est d'une importance primordiale, dans la mesure où la qualité du produit final est concernée de savoir dans quelle mesure les carbures primaires sont décomposés.C'est pourquoi la distribution et la structure réticulée des carbures sont prévues dans les normes internatio naleset nationala et et la présence de particules de carbures bruts est prohibée dans les stipulations d'essai de qualité de l'acier pour outils.Said preliminary forming not only serves to obtain an intermediate product which is ready by its dimensions to be then transformed, but it is also intended to decompose the raw primary carbides, especially the eutectics of carbides having been formed during the solidification of a steel generally containing more than 0.7% carbon and also alloying elements forming carbides (Cr, Mo, W, V). It is of paramount importance, as far as the quality of the final product is concerned, to what extent the primary carbides are broken down; this is why the distribution and cross-linked structure of carbides are provided for in international and national standards. and and the presence of particles of raw carbides is prohibited in the test specifications for the quality of tool steel.

Un autre procédé d'utilisation d'acier rapide dans la fabrication d'outils dè coupe consiste à mouler l'acier immédiatement dans sa forme finale. Un inconvénient de ce procédé réside dans la difficulté d'éliminer lesdites particules de carbure brut d'un produit obtenu de cette manière. Another method of using high-speed steel in the manufacture of cutting tools is to cast the steel immediately into its final form. A disadvantage of this process lies in the difficulty of removing said particles of raw carbide from a product obtained in this way.

Dans la couche adjacente à la surface cependant, le procédé de formation de carburesest quelque peu différent, les parti- des cules de carbure sont moins brutes et la capacité d'usinage/wtils moulés à vitesse rapide peut souvent égaler celle d'outils obtenus par laminage ou forgeage de produits intermédiaires.In the layer adjacent to the surface however, the carbide formation process is somewhat different, the carbide particles are less coarse and the machining capacity / molded tools at high speed can often equal that of tools obtained by rolling or forging intermediate products.

I1 y a des pays où les outils de coupe moulés sont spécialement largement utilisés. Leur avantage principal réside dans le fait que leur fabrication est moins onéreuse car de nombreuses opérations peuvent être évitées au cours de l'obtention de l'outil dans sa forme finale à partir de l'acier brut en considérant que la forme du moulage ne diffère de celle de l'outil que par une faible tolérance de rectification. There are countries where molded cutting tools are especially widely used. Their main advantage lies in the fact that their manufacture is less expensive because many operations can be avoided during the obtaining of the tool in its final form from raw steel by considering that the form of the molding does not differ that of the tool only by a low grinding tolerance.

Par ailleurs, l'inconvénient principal de l'acier moulé à coupe rapide réside dans le fait que la texture des carbures est remarquablement inhomogène consistant principalement en particules brutes, de sorte aue la ténacité de l'outil est insuffisante et qu'il est également moins résistant contre l'effet abrasif très sévère engendré pendant le procédé de coupe. Furthermore, the main drawback of quick-cut cast steel lies in the fact that the texture of the carbides is remarkably inhomogeneous consisting mainly of coarse particles, so that the toughness of the tool is insufficient and that it is also less resistant against the very severe abrasive effect generated during the cutting process.

La présente invention a pour objet d'éliminer lesdits inconvénients des outils en acier moulé à coupe rapide ressortant de l'art antérieur et d'obtenir des outils de coupe moulés contenant la quantité appropriée et ayant une composition appropriée en éléments d'alliage usuels dans les aciers à coupe rapide tout en présentant des propriétés améliorées telles qu'une ténacité et une résistance à l'usure plus grande ainsi qu'une versatilité del'aitedecQ1pe de sorte que lesdites propriétés sont égales ou même supérieures à celles des outils de coupe à vitesse rapide laminés ou forgés. Cet objectif peut être atteint en éliminant la texture brute de carbure et en créant une texture fine de carbure de composition appropriée dans la couche superficielle de l'outil. The object of the present invention is to eliminate said drawbacks of quick-cut cast steel tools from the prior art and to obtain molded cutting tools containing the appropriate quantity and having an appropriate composition of usual alloying elements in high-speed steels while having improved properties such as toughness and greater wear resistance as well as versatility of the quality so that said properties are equal to or even superior to those of cutting tools fast speed rolled or forged. This can be achieved by removing the rough texture of carbide and creating a fine texture of carbide of suitable composition in the surface layer of the tool.

L'invention est basée sur la conception suivante un avantage indubitable du procédé de moulage est que la forme finale, sauf pour une faible tolérance de rectification, peut être obtenue une seule opération, mais ceci conduit précisément aussi à l'inconvénient qu'il n'y a aucun moyen de contrale de l'homogénéité et de finesse de la texture des carbures au cours de ladite opération unique.Si la mise en forme en une seule opération est maintenue mais exécutée dans un état de l'acier à faible teneur en carbone et qu'ensuite une autre opération telle qu'une cémentation est exécutée de manière à augmenter la teneur en carbone de la couche de carbone superficielle jusqu'à la quantité désirée (égale à celle indiquée dans la technique antérieure), la teneur en carbone de la couche de travail ne différera pas de celle de l'acier préparé selon la technique antérieure, tandis que la finesse de la texture du carbure ainsi que son homogénéité seront considérablement améliorées, ainsi que la durée de vie de 1 ' arAte de coupe et la capacité d'usinage de l'outil, et même la ténacité de l'outil sera augmentée.Enfin, le procédé conforme à l'invention constitue un compromis optimum entre le besoin minimum de travail typique du procédé de mou- lage et la texture améliorée pouvant être obtenue d'une manière très laborieuse dans le procédé de forgeage étant donné que le besoin en travail est seulement légèrement augmenté, sans-aucune mesure avec le besoin en travail et spécialement le besoin en travail de personnes spécialisées usuel pour le procédé de forgeage, et la texture de la couche de travail est néanmoins équivalente et la ténacité est même meilleure que celle obtenue par le procédé de forgeage. The invention is based on the following design, an undoubted advantage of the molding process is that the final shape, except for a low tolerance for grinding, can be obtained in a single operation, but this also leads precisely to the drawback that it does not exist. There is no way to control the homogeneity and fineness of the texture of the carbides during the said single operation. If the forming in a single operation is maintained but carried out in a state of steel with low content carbon and then another operation such as carburizing is carried out so as to increase the carbon content of the surface carbon layer to the desired amount (equal to that indicated in the prior art), the carbon content of the working layer will not differ from that of steel prepared according to the prior art, while the smoothness of the texture of the carbide as well as its homogeneity will be considerably improved, as well as the duration life of the cutting edge and the tool's machining capacity, and even the tool's toughness will be increased. Finally, the process according to the invention constitutes an optimum compromise between the minimum typical work requirement of the molding process and the improved texture which can be obtained in a very laborious manner in the forging process since the work requirement is only slightly increased, without any measure with the work requirement and especially the need for work of specialized people usual for the forging process, and the texture of the working layer is nevertheless equivalent and the toughness is even better than that obtained by the forging process.

Conformément à l'invention, un ou plusieurs métaux de terresrarestels que le cérium, en une quantité totale de 0,1 à 0,8 %,sont ajoutés à l'acier fondu à la fin du procédé de fusion de manière à améliorer la texture de la masse fondue, la teneur en carbone dudit acier est à la fin du procédé de coulée fixée à 0,2 à 0,4 1%, et après avoir moulé l'outil à partir de ladite masse fondue, la teneur en carbone de la couche superficielle est enrichie jusqu'à au moins 0,6 %, de préférence 0,7% par diffusion pour obtenir une texture de carbure fine. According to the invention, one or more rare earth metals such as cerium, in a total amount of 0.1 to 0.8%, are added to the molten steel at the end of the melting process so as to improve the texture of the melt, the carbon content of said steel is at the end of the casting process set at 0.2 to 0.4 1%, and after having molded the tool from said melt, the carbon content of the surface layer is enriched to at least 0.6%, preferably 0.7% by diffusion to obtain a texture of fine carbide.

I1 résulte du procédé ci-dessus que la quantité d'éléments d'alliage dans les outils de coupe conformes à l'invention est en principe égale à la composition normalisée des aciérs à coupe rapide, sauf que l'addition desdites terres rares est également prévue.De récentes expériences ont montré que l'amélioration de qualité conforme à l'invention peut aussi être obtenue si les principales caractéristiques nouvelles uniquement, ctest-à-dire le moulage avec une faible teneur en carbone, l'utilisation de certaines additions et la cémentation subséquente de la couche superficielle sont maintenues tandis que ladite addition peut, totalement ou partiellement, être une addition autre que celle de métaux de terres rares, par exemple de zirconium ou de niobium, ladite addition atteignant au total aussi dans ce cas 0,1 à 0,8%. It follows from the above process that the quantity of alloying elements in the cutting tools in accordance with the invention is in principle equal to the standardized composition of quick-cutting steels, except that the addition of said rare earths is also Recent experiments have shown that the quality improvement according to the invention can also be obtained if the main new characteristics only, i.e. molding with a low carbon content, the use of certain additions and the subsequent cementation of the surface layer are maintained while said addition can, totally or partially, be an addition other than that of rare earth metals, for example zirconium or niobium, said addition reaching in total also in this case 0, 1 to 0.8%.

La composition de l'alliage sera donc la suivante:
2 - 6% de chrome, 0 - 24% de tungstène, 0 - 10 de molybdène, 0-10 % de cobalt, 0,5 - 8,0 % de vanadium et 0-3 % de titane.The composition of the alloy will therefore be as follows:
2 - 6% chromium, 0 - 24% tungsten, 0 - 10 molybdenum, 0-10% cobalt, 0.5 - 8.0% vanadium and 0-3% titanium.

L'acier contient également de faibles quantités d'impuretés telles que.le manganèse, le silicium, le phosphore et le soufre. Steel also contains small amounts of impurities such as manganese, silicon, phosphorus and sulfur.

L'une des caractéristiques du nouveau procédé réside dans le fait que la teneur en carbone. de l'acier à la fin du procédé de coulée est relativement faible 0,2 - 0,4%. Le réglage de cette valeur est exécuté conformément à la technique antérieure. One of the features of the new process is that the carbon content. of steel at the end of the casting process is relatively low 0.2 - 0.4%. The setting of this value is carried out in accordance with the prior art.

Une autre caractéristique réside dans l'addition de 0,1.- 0,8 %, de préférence 0,2 - 0,3 % d'un ou plusieurs métaux de terres rares et/ou de zirconium ou de niobium, l'addition ayant lieu d la fin du processus de fusion ou pendant le moulage. Cette addition est effectuée7çaiàdbi!r une texture fine. L'addition peutêtre une addition de mischmétal (alliage réducteur à base de métaux cériqus), de ferrocérium, de silicium-zirconium ou due ferroniobium respecti vement. Another characteristic resides in the addition of 0.1 - 0.8%, preferably 0.2 - 0.3% of one or more rare earth metals and / or zirconium or niobium, the addition occurring at the end of the melting process or during molding. This addition is carried out with a fine texture. The addition may be an addition of mischmetal (reducing alloy based on ceric metals), ferrocerium, silicon-zirconium or due ferroniobium respectively.

La troisième caractéristique réside dans la cémen- tation subséquente de la couche superficielle de l'acier moulé (à une profondeur non inférieure à lmm) par un procédé de diffusion pour obtenir une teneur en carbone d'au moins 06%, de préférence au moins 0,7 %. La diffusion peut être exécutée par un procédé quelconque connu, utilisé dans la cémentation. The third characteristic resides in the subsequent cementation of the surface layer of the cast steel (at a depth not less than 1 mm) by a diffusion process to obtain a carbon content of at least 06%, preferably at least 0.7%. Diffusion can be carried out by any known method used in case hardening.

Ledit procédé étant bien connu, une description plus particulière de ce dernier peut être évitée par la remarque que tout procédé connu de traitement thermique thermochimique peut être appliqué - cémentationà l'état solide tel que la trempe superficielle - cémentation dans un milieu gazeux y compris la cémentation
sous vide - cémentation dans un liquide tel qu'un bain de sel.Said method being well known, a more particular description of the latter can be avoided by the remark that any known method of thermochemical heat treatment can be applied - carburizing in the solid state such as surface quenching - carburizing in a gaseous medium including case hardening
under vacuum - carburizing in a liquid such as a salt bath.

La cémentation est exécutée sur les moulages ayant déjà approximativement la forme finale (sauf pour une faible tolérance de rectification) ladite forme étant obtenue soit immédiatement par un moulage précis soit par une découpe subséquente. Lorsque la cémentation a été exécutée, le traitement thermique usuel pour les aciers rapides peut être appliqué, par exemple le recuit et/ou le traitement thermique final comprenant une trempe et un revenu comme cela est usuel pour les aciers rapides. Case-hardening is carried out on molds which already have approximately the final shape (except for a low tolerance for rectification), said shape being obtained either immediately by precise molding or by subsequent cutting. When cementation has been carried out, the usual heat treatment for high-speed steels can be applied, for example annealing and / or the final heat treatment comprising quenching and tempering as is usual for high-speed steels.

Le procédé ci-dessus conduit à une texture idéale dans l'outil, c'est-à-dire que la teneur en carbone de la partie intérieure (noyau) reste faible, aucune particule de carbure brut n'est présente, par conséquent le noyau est résistant tandis que la couche superficielle comprend de fines particules de carbure par suite de la diffusion,
ne c'est-à-dire une texture qui/peut être obtenue par aucune autre technologie sauf par la métallurgie des poudres,ce-d étant cependant beaucoup plus onéreuse.The above process leads to an ideal texture in the tool, that is to say that the carbon content of the inner part (core) remains low, no particle of raw carbide is present, therefore the core is resistant while the surface layer comprises fine particles of carbide as a result of diffusion,
that is to say a texture which / can be obtained by any other technology except by powder metallurgy, this being however much more expensive.

I1 est bien connu que les limites concernant la composition chimique des aciers rapides sont déterminées par l'état brut des particules de carbure dans la masse en fusion et par la difficulté de décomposition de ces dernières. It is well known that the limits concerning the chemical composition of high-speed steels are determined by the raw state of the carbide particles in the molten mass and by the difficulty of their decomposition.

Lesdites limites peuvent cependant être étendues si on applique le nouveau procédé décrit ci-dessus. Si la couche superficielle est seulement cémentée ultérieunytnt,il nty a pas d'obstacle à augmenter la quantité des éléments d'alliage formant des carbures (V, Mo, W, Ti) à dessein étant donné que le carbone diffusé ensuite résulte dans la formation de fines particules de carbure provoquant considérablement moins de difficultés que du carbone ajouté déjà pendant le processus de fusion.The said limits can however be extended if the new method described above is applied. If the surface layer is only later cemented, there is no obstacle in increasing the quantity of the carbide-forming alloying elements (V, Mo, W, Ti) on purpose since the carbon then diffused results in the formation fine carbide particles causing considerably less difficulty than carbon already added during the melting process.

Les outils de coupe moulés préparés conformément à l'invention sont beaucoup moins onéreux que les outils de coupe obtenus par forgeage ou laminage respectivement et néanmoins leur capacité et leurs caractéristiques essentielles sont égales à celles de ces derniers. The molded cutting tools prepared in accordance with the invention are much less expensive than the cutting tools obtained by forging or rolling respectively and nevertheless their capacity and their essential characteristics are equal to those of the latter.

Les expériences exécutées avec les outils préparés conformément à l'invention sont spécifiées ci-après: 1. Cémentation dans un milieu solide
a) L'agent de cémentation solide est : SZ 15/5 +
d'acétate de sodium
Température de cémentation-: 120000
Durée de la cémentation : 6 heures
Epaisseur de la couche cémentée : 2 mm (teneur en
carbone : 0,6 % )
Teneur en carbone initiale de l'acier : 0,32%
b) L'agent de cémentation solide est : 57 15/5 + 5%
d'acétate de sodium + 5 % de CaCO3 + 10 cm3 d'eau
Température de cémentation : 120000
Durée de la c-émentation : 6 heures
Epaisseur de la couche cémentée : 3,0 mm
(teneur en carbone 0,6 %)
Augmentation de la performance de coupe : 5-8 %.The experiments carried out with the tools prepared in accordance with the invention are specified below: 1. Case hardening in a solid medium
a) The solid cementation agent is: SZ 15/5 +
sodium acetate
Case-hardening temperature: 120000
Duration of cementation: 6 hours
Thickness of the cemented layer: 2 mm (content of
carbon: 0.6%)
Initial carbon content of steel: 0.32%
b) The solid cementation agent is: 57 15/5 + 5%
sodium acetate + 5% CaCO3 + 10 cm3 of water
Case hardening temperature: 120,000
Duration of the cementation: 6 hours
Thickness of the cemented layer: 3.0 mm
(carbon content 0.6%)
Cutting performance increase: 5-8%.

2. Cémentation dans un milieu gazeux
a) Milieu de cémentation gazeux : PB-gaz + 02
(rapport 1:3)
Température de c3mentation : 940 OC
Durée de la cémentation : 2 heures
Epaisseur de la couche cémentée : 1,5mm (teneur en
carbone 0,6 %)
Teneur en carbone initiale de l'acier : 0,32 %
b) Milieu de cémentation gazeux : PB-gaz + 02(rapport:1:1)
Température de cémentation : 940 OC
Durée de la cémentation : 4 heures
Epaisseur de la couche cémentée : 1,1 mm (teneur en
carbone 0,6 %)
Amélioration da la performance de coupe : 8-10% 2. Case hardening in a gaseous medium
a) Gaseous carburizing medium: PB-gas + 02
(1: 3 ratio)
Cementation temperature: 940 OC
Duration of cementation: 2 hours
Thickness of the cemented layer: 1.5mm (content of
0.6% carbon)
Initial carbon content of steel: 0.32%
b) Gaseous carburizing medium: PB-gas + 02 (ratio: 1: 1)
Case hardening temperature: 940 OC
Duration of cementation: 4 hours
Thickness of the cemented layer: 1.1 mm (content of
0.6% carbon)
Cutting performance improvement: 8-10%

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'outils de coupe moulés destinés à être utilisés dans la coupe rapide, à l'aide d'acier contenant 2-6% de chrome, 0-24% de tungstène, 0-10% de molybdène, 0,5-8 % de vanadium, 0-10 de cobalt, 0,3 % de titane et les impuretés usuelles telles que le manganèse, le siicium, le phosphore et le soufre, procédé caractérisé par le fait qu'une addition est effectuée à l'acier à la fin du procédé de fusion ou pendant la coulée, ladite addition comprenant un ou plusieurs métaux de terres rares en une quantité totale comprise entre 0,1 et 0,8% de préférence 0,2 et 0,3, la teneur en carbone de l'acier à la fin du processus de coulée est fixée à 0,2 - 0,4%, et la couche superficielle de l'outil moulé à partir de l'acier ainsi obtenu est ensuite cémentée par diffusion pour obtenir une teneur en carbone non inférieure à o, 6%, de préférence non inférieure à 0,7 %. 1. Method of manufacturing molded cutting tools for use in rapid cutting, using steel containing 2-6% chromium, 0-24% tungsten, 0-10% molybdenum, 0 , 5-8% vanadium, 0-10 cobalt, 0.3% titanium and the usual impurities such as manganese, silicon, phosphorus and sulfur, process characterized in that an addition is made to steel at the end of the melting process or during casting, said addition comprising one or more rare earth metals in a total amount of between 0.1 and 0.8%, preferably 0.2 and 0.3, the carbon content of the steel at the end of the casting process is set at 0.2 - 0.4%, and the surface layer of the tool molded from the steel thus obtained is then cemented by diffusion to obtain a carbon content of not less than 0.6%, preferably not less than 0.7%. 2. Procédé de fabrication d'outils de coupe moulés destinés à être utilisés dans la coupe rapide, à l'aide d'acier contenant 2w6% de ehrome, 0,24% de tungstène, 0-10% de molybdène, 0,sa8,0% de vanadium, 0-10 % de cobalt, 0-3 de titane et les impuretés usuelles telles que le manganèse, le silicium , le phosphore et le soufre, procédé caractérisé par le fait qu'une addition est effectuée à l'acier à la fin du processus de fusion ou pendant la coulée, ladite addition comprenant un ou plusieurs métaux de terres rares et/ou du zirconium et/ou du niobium en une quantité totale comprise entre 0,1 et 0,8%, de préférence entre 0,2 et 0,3X, la teneur en carbone de l'acier à la fin du processus de coulée est fixée à 0,2 - 0,4, et la couche superficielle de l'outil moulé à partir de l'acier ainsi obtenu est ensuite cémentée par diffusion pour obtenir une teneur en carbone non inférieure à 0,6 %, de préférence non inférieure à 0,7%. 2. Method of manufacturing molded cutting tools intended for use in rapid cutting, using steel containing 2w6% of ehrome, 0.24% of tungsten, 0-10% of molybdenum, 0, sa8 , 0% vanadium, 0-10% cobalt, 0-3 titanium and the usual impurities such as manganese, silicon, phosphorus and sulfur, process characterized in that an addition is made to the steel at the end of the melting process or during casting, said addition comprising one or more rare earth metals and / or zirconium and / or niobium in a total amount of between 0.1 and 0.8%, preferably between 0.2 and 0.3X, the carbon content of the steel at the end of the casting process is set at 0.2 - 0.4, and the surface layer of the tool molded from the steel thus obtained is then cemented by diffusion to obtain a carbon content of not less than 0.6%, preferably not less than 0.7%. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,caractérisé par le fait que les métaux de terres rares sont ajoutés sous forme de mischmétal (alliage réducteur à base de métaux cériques). 3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the rare earth metals are added in the form of mischmetal (reducing alloy based on ceric metals). 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le métal de terre rare est ajouté sous forme de ferrocérium. 4. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the rare earth metal is added in the form of ferrocerium. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé par le fait que la couche superficielle est cémentée à une profondeur non inférieure à 1 mm.  5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the surface layer is cemented to a depth not less than 1 mm.