SE511758C2 - Stålmaterial för varmarbetsverktyg - Google Patents

Description

511 758 Tabell 1 Kemisk sammansättning i vikts-% hos kända varmarbetsstål Stålsort Stål C Si Mn Cr Mo W Ni V Co Fe W.Nr/AISI nr 1.2344/H13 1 0.40 1.0 0.40 5.3 1.4 - - 1.0 - rest 1.2365/I-I10 2 0.32 0.25 0.30 3.0 2.8 - - 0.5 - ” 1.2885/H10A 3 0.32 0.25 0.30 3.0 2.8 - - 0.5 3.0 ” 1.2367 4 0.38 0.40 0.45 5.0 3.0 - - 0.6 - ” 1.2889/H19 5 0.45 0.40 0.40 4.5 3.0 - - 2.0 4.5 ” 1.2888 6 0.20 0.25 0.50 9.5 2.0 5.5 - 10.0 ” l.2731 7 0.50 1.35 0.70 13.0 - 2.1 13.0 0.7 - ” H42 8 0.60 0.30 0.30 4.0 5.0 6.0 2.0 ” 9 0.35 0.1 0.6 5.5 3.0 - - 0.8 - ” 10 0.32 0.3 0.6 5.1 2.6 - - 0.7 - ” ll 0.39 0.2 0.7 5.2 2.2 - 0.6 0.8 0.6 ” 12 0.28 0.40 0.45 5.0 3.0 - - 0.7 - ” _ 13 0.45 0.30 0.50 3.1 5.0 - - 1.0 - ” 14 0.39 0.30 0.75 2.6 2.25 - - 0.9 - ” 15 0.28 0.60 0.40 11.5 - 7.5 0.55 9.5 ” REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN I en forsta etapp av uppfinningen studerades stålen 1-15 i Tabell 1. Denna studie visade att inget av de studerade stålen uppfyller alla de krav som kan ställas på verktyg for alla de olika användningsområden som omnämnts ovan. Det fortsatta arbetet koncentrerades därfor på att utveckla en legering främst avsedd for pressgjutning av lättmetaller, ett användningsområde, där behovet av ett nytt stålmaterial med bättre egenskaps- kombination än vad som kan erbjudas genom kända stål är särskilt angeläget. Målet med stålmaterialet enligt uppfinningen är att erbjuda optimala egenskaper med avseende på god härdbarhet och mikrostruktur for att ge hög seghet och duktilitet också i grova dimensioner. Samtidigt får anlöpningsbeständigheten och varrnhållfastheten inte forsämras.

Mer bestämt är ett ändamål med uppfinningen att erbjuda ett varrnarbetsstål med en kemisk sammansättning som är sådan att stålet kan uppfylla foljande krav: - det skall ha god varmbearbetbarhet for att därmed ge ett gott utbyte vid tillverkningen, 10 15 20 25 30 511 758 - det skall kunna tillverkas även i mycket grova dimensioner, vilket innebär grövre än tex. 760 x 410 mm eller grövre än ø 550 mm, - det skall ha hög renhet, - det skall inte innehålla några primärkarbider, - det skall ha goda värmebehandlingsegenskaper, innebärande bland annat att det skall kunna härdas från en måttlig hög austenitiseringstemperatur, - det skall ha mycket god härdbarhet, dvs förmåga att kunna genomhärdas även i ovanstående, mycket grova dimensioner, - det skall vara formstabilt vid värrnebehandling, - det skall ha god anlöpningsbeständighet, - det skall ha god vamahållfasthet, - det skall ha mycket god seghet och mycket goda duktilitetsegenskaper i det aktuella dimensionsområdet, - det skall ha god värmeledningsförmåga, - det skall inte ha en oacceptabel längdutvikningskoeíficient, - det skall ha goda ytbeläggriingsegenskaper med PVD/CVD/riitrering, - det skall ha goda gnistningsegenskaper, god skärbarhet och svetsbarhet och - det skall ha en god tillverkningsekonomi.

Ovanstående villkor kan uppfyllas med stålmaterialet enligt uppfinningen genom att detta dels genom att stållegeringen har en sådan bassammansättning att materialet kan processas för att ge en adekvat mikrostruktur med mycket jämn fördelning av karbider i en ferritisk grundmassa, ägnad för fortsatt värmebehandling av det färdiga verktyget, dels genom att stålmaterialet med den givna bassammansättningen även har föreskrivet låg halt av kisel, som är att betrakta som en förorening i stålet enligt uppfinningen, samt mycket låga halter av de icke metalliska föroreningama kväve, syre, fosfor och svavel. I och för sig är det sedan mycket länge känt att icke metalliska föroreningar, såsom svavel, fosfor, syre och kväve, medför vissa negativa efiïekter i många stål, i synnerhet med i avseende på stålets seghet. Detsamma gäller även kunskapen om att vissa metaller i spårämneshalter kan medför negativa effekter hos många stål, såsom nedsatt seghet.

Detta kan Lek. gälla titan, zirkonium, och niob i små halter. Ändock har man för de flesta stål, inklusive varmarbetsstål, inte kunnat förbättra segheten i anmärkningsvärd grad enbart genom att minska halten av föroreningar av nämnda slag i stålet. Den utförda studien av existerande stållegeringar har vidare visat att önskvärt god seghet inte kan nås endast genom optimering av stållegeringens bassammansättning. Först genom en kombination av en optimal bassammansättning och låg eller mycket låg halt av nämnda 511 758 10 15 20 25 30 35 ickemetalliska föroreningar, samt företrädesvis även en mycket låg halt av titan, zirkonium och niob, har de uppställda villkoren kunnat uppfyllas.

För att uppfylla nämnda villkor har stålmaterialet enligt uppfinningen en legerings- sammansättning som i vikts-% väsentligen består av 03-04 C, företrädesvis 0.33-0.37 C, typiskt 0.35 C 0.2-0.8 Mn, företrädesvis 0.40-0.60 Mn, typiskt 0-0.50 Mn 4-6 Cr, företrädesvis 4.5-5.5 Cr, lämpligen 485-515 Cr, typiskt 5.0 Cr 1.5-3 Mo, företrädesvis 1.8-2.5 Mo, lämpligen 2.2-2.4 Mo, typiskt 2.3 Mo 0.4-0.8 V, företrädesvis 0.5-0.6 V, lämpligen 0.55 V, rest jäm och oundvikliga metalliska och ickemetalliska föroreningar, varvid de icke- metalliska föroreningarna innefattar kisel, kväve, syre, fosfor och svavel, vilka får förekomma i följande maximala halter max 0.25 Si, företrädesvis max 0.20 Si, lämpligen max 0.15 Si max 0.010 N, företrädesvis max 0.008 N max 10 ppm O, företrädesvis max 8 ppm O max 0.010 P, företrädesvis max 0.008 P, och max 0.00l0 S, företrädesvis max 00005 S.

Företrädesvis får titan, zirkonium och niob förekomma i följande maximala halter i vikts-%: max 00008 Ti, företrädesvis max 0.005 Ti max 0.016 Zr, företrädesvis max 0.010 Zr max 0.010 Nb, företrädesvis max 0.005 Nb.

Beträffande valet av de enskilda, önskvärda legeringselementen kan i korthet sägas att haltema av kol, krom och molybden har valts sådana att stålet ska få en ferritisk grund- massa i materialets leveranstillstånd, en martensitisk gmndmassa med adekvat hårdhet efter härdning och anlöpning, frånvaro av primärkarbider men förekomst av sekundärt utskiljda karbider av MC- och MzgCó-typ med submikroskopisk storlek i det härdade och anlöpta materialet, samtidigt som stålets bassammansättning skall ge en potential för att även uppnå önskad seghet.

Mangan skall förekomma i stålet i nämnda halt för att i första hand ge ett visst härdbarhetstillskott. 10 15 20 25 30 35 511 758 För att kunna utnyttja den potentialt goda seghet som ett stålmaterial med nämnda halter av kol, mangan, krom, molybden och vanadin kan ge skall samtidigt även haltema av nämnda icke metalliska föroreningar hållas på nämnda låga eller mycket låga nivå.

Beträffande betydelsen av dessa föroreningselement må Följande nämnas.

Kisel är att betrakta som en förorening i stålet enligt uppfinningen och får förekomma i en högsta halt av 0.25 %, företrädesvis max 0.20 % och lämpligen max 0.15 % för att kolaktiviteten skall hållas låg och därmed även halten av de primärkarbider som kan skiljas ut under stelningsprocessen, och, i ett senare skede, även komgränskarbider, vilket förbättrar segheten.

Kväve är ett element som tenderar att stabilisera primärkarbidbildning. Primärkarbo- nitrider, i synnerhet karbonitrider i vilka, förutom vanadin, även kan ingå titan, zirkonium och niob, är dessutom mer svårlösliga än rena karbider. Dessa karbider, om de före- kommer i det färdiga verktyget, kan ha stor negativ effekt på materialets slagseghet. Vid mycket låg kvävehalt upplöses dessa karbider lättare vid stålets austenitisering i samband med värmebehandling, varefier utskiljs nämnda små sekundärkarbider av främst MC- och MzgCó-typ med submikroskopisk storlek, dvs mindre än 100 nm, normalt 2-100 nm, vilka är gynnsamma. Stålmaterialet enligt uppfinningen skall därför innehålla max 0.010 % N, företrädesvis max 0.008 % N.

Syre i stålet bildar oxider, som kan initiera brott på grund av termisk utmattning. Denna negativa effekt på duktiliteten motverkas genom en mycket låg syrehalt, max 10 ppm O, företrädesvis max 8 ppm O.

Fosfor segregerar i fasgränsytor och komgränser av alla slag och nedsätter kohesions- hållfastheten och därmed segheten. Fosfor får därför förekomma i en högsta halt av 0.010 %, företrädesvis max 0.008 %.

Svavel som genom att förena sig med mangan bildar mangansulfider, har negativ effekt på duktiliteten men även på segheten genom att det påverkar tväregenskaperna negativt.

Svavel får därför förekomma i en högsta halt av 0.00l0 %, företrädesvis max 00008 %.

Titan, zirkonium och niob bör inte förekomma i högre halter i stålet än i de maximala halter som nämnts i det föregående, dvs max 0.008, företrädesvis max 0.005 Ti, max 0.016, företrädesvis 0.010 Zr och max 0.010, företrädesvis max 0.005 Nb, för att undvika bildning av främst nitrider och karbonitrider. 511 758 I leveranstillstånd har stålmaterialet enligt uppfinningen en ferritisk grundmassa med jämnt fördelade karbider, som upplöses vid stålets värmebehandling i samband med hàrdningen. Vid denna värmebehandling austenitiseras stålet vid en temperatur mellan 1000 och 1080°C, lämpligen vid en temperatur av 1020-1030°C. Därefter kyls materialet 5 till rumstemperatur och anlöps en eller flera gånger, företrädesvis 2 x 2 h, vid 550- 650°C, företrädesvis vid ca 600°C.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 511 758 PATENTKRAV

1. Stålmaterial for varmarbetsverktyg, k ä n n e t e c k n at av att det har en legeringssammansättning som i vikts-% väsentligen består av: 0.3-0.4 C O.2-0.8 Mn 4-6 Cr 18-3 Mo O.4-O.6 V rest järn och oundvikliga metalliska och ickemetalliska föroreningar, varvid de icke- metalliska fororeningama innefattar kisel, kväve, syre, fosfor och svavel, vilka får förekomma i följande maximala halter: max 0.25 Si max 0.010 N max 10 ppm O max 0.010 vikts-% P.

2. Stålmaterial enligt krav 1, k a n n e t e c k n a t av att det innehåller max 0.20 Si.

3. Stålmaterial enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller max 0.0010 S.

4. Stålmaterial enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller 033-037 C 0.4-0.6 lVIn 4.5-5.5 Cr och 18-25 MO.

5. Stålmaterial enligt krav 4, k a n n e t e c k n at av att det innehåller 4.85-5. 15 Cr och 2.2-2.4 Mo.

6. Stålmaterial enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller max 0.008 N.

7. Stålmaterial enligt något av kraven 1-6, k ä n n et e c k n at av att det innehåller max 8 ppm O.

8. Stålmaterial enligt något av kraven 1-7, k ä n n et e c k n at av att det innehåller max 0.008 P. __| J_ .___-_- 511 758 10

9. Stålmaterial enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k n at av att det innehåller max 00008 S.

10. Stålmaterial enligt något av kraven 1-9, k ä n n et e c k n a t av att det innehåller 0.35 C, max 0.15 Si, 0.5 Mn, max 0.008 P, max 00008 S, 5 Cr, 2.3 Mo, 0.55 V, max 0.008 N, max 8 ppm O.

11. Stålmaterial enligt något av kraven 1-10, k ä n n e t e c k n a t av det innehåller max 0.008, företrädesvis max 0.005 Ti, max 0.016, företrädesvis max 0.010 Zr och max 0.010, företrädesvis max 0.005 Nb.

12. Användning av ett stålmaterial enligt något av kraven 1-11 för verktyg och verktygsdetalj er för pressgjutning av metaller.