SE518678C2 - Föremål av stål - Google Patents

Description

#111» 10 15 20 25 30 35 5 1 s 6 7 sšïï* - ïÉÉï - šïlëiß .2 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Åndamålet med uppfinningen är att erbjuda föremål av stål som tillfiedsställer ovan nämnda behov. Detta kan uppnås genom att föremålet är tillverkat av ett sprutformat (sprayforrned) stålmaterial med en kemisk sammansättning i vikts-% och med en mikrostruktur som framgår av de efierföljande patentkraven.

För de ingående legeringselementen i stålet gäller vidare följande.

Kol skall finnas i tillräcklig mängd i stålet för att i stålets härdade och anlöpta tillstånd, dels tillsammans med vanadin kunna bilda 3-8 vol-% MC-karbider, där M huvudsakligen är vanadin, dels med krom kunna bilda 10-20 vol-% MvCg-karbider, där M huvudsakligen utgörs av krom, varvid den totala halten av MC-karbider och M7C3- karbider skall uppgå till 14-25 vol-%, dels ingå i fast lösning i stålets martensitiska grundmassa i härdat tillstånd i en halt av 0.2-0.7 vikts-%, företrädesvis 0.3-0.6 vikts-%.

Lämpligen är halten löst kol i stålets grundmassa ca. 0.5%. Den totala halten kol i stålet, dvs. kol som är löst i stålets matrix plus det kol som är bundet i karbider skall vara minst 1.7 %, företrädesvis minst 1.8 %, medan den maximala halten kol kan uppgå till 2.5 %, företrädesvis max. 2.3 %.

Föremålet enligt uppfinningen är frarnställt genom en teknik som innefattar sprut- gjutning (sprayforrning), varvid droppar av smält metall sprutas på ett roterande substrat, på vilket dropparna snabbt stelnar, till att bilda ett efter hand tillväxande göt.

Detta kan därefier varmbearbetas genom smidning och/eller valsning till önskad form.

Vid stelnandet av dropparna bildas nämnda karbider, som fördelas jämnt i götet och därmed i den färdiga produkten. Genom dropparnas kontrollerade stelningshastighet, som är långsammare än vid framställning av metallpulver genom atornisering av en stråle av smält metall och snabbkylning av de bildade dropparna men väsentligt snabbare än vid konventionell göttillverkning, stränggjutning och/eller ESR- omsmältning, hinner karbiderna växa till en storlek som visat sig vara mycket fördelaktig i det uppfinningsenliga föremålet. Sålunda kan MC-karbidema bringas att få en väsentligen avrundad förrn, varvid minst 80 vol-% av MC-karbidema erhåller en storlek i karbidemas längsta utsträckning som uppgår till 1-10 urn, företrädesvis minst 5 um medan M7C3-karbiderna typiskt erhåller en mer långsträckt form än MC-karbiderna, varvid minst 80 vol-% av MC-karbiderna får en maximal utsträckning som uppgår till 3-50 um, företrädesvis minst 10 um. »anar 10 15 20 25 30 35 518 678 šrïš-'flß 3 Kväve kan eventuellt tillsättas till stålet i samband med sprutgjutningen i en maximal halt av 0.20 %. Enligt den föredragna utföringsformen av uppfinningen tillsätts emellertid kväve inte avsiktligt till stålet men ingår ändå som ett oundvikligt element i en halt av max. 0.15 %, normalt max. 0.12 % och utgör härvid inte någon skadligt ingrediens. Tvärtom kan kvävet ha en gynnsam effekt genom att tillsammans med kol bilda vanadin- och kromkarbonitrider. I ovan angivna volymshalter av MC- och M7C3- karbider kan sålunda även ingå en mindre fiaktion karbonitrider.

Kisel ingår som en rest från stålets tillverkning och förekommer normalt i en minsta halt av 0.1 %, företrädesvis 0.2 %. Kislet ökar kolaktiviteten i stålet och kan därmed bidra till att stålet får en adekvat hårdhet utan att skapa sprödhetsproblem. Kisel är emellertid en kraftig ferritbildare och får därför inte förekomma i halter över 2.0 %. Företrädesvis innehåller stålet inte mer än max. 1.0 % kisel. .

Mangan förekommer också som restämne från stålets tillverkning och binder de mängder svavel som kan finnas i låga halter i stålet, genom att bilda mangansulfid.

Mangan bör därför finnas i en halt av åtminstone 0.1 %, företrädesvis i en halt av minst 0.2 %. Mangan befrämjar även härdbarheten, vilket är positivt, men får inte förekomma i halter över 2.0 % för att undvika sprödhetsproblem. Företrädesvis innehåller stålet inte mer än max. 1.0 % Mn. En nominell manganhalt är 0.5 %.

Krom skall finnas i en lägsta halt av 12 %, företrädesvis i en halt av minst 13 % för att ge stålet önskvärt korrosionsmotstånd. Krom är även en viktigkarbidbildare och bildar med kol MvCg-karbider, som tillsammans med MC-karbidema bidrar till önskat nötningsmotstånd. Krom befrämjar även krafiigt härdbarheten. Med härdbarhet förstås förmåga att bibringa en hög hårdhet mer eller mindre djupt i det föremål som härdas.

Härdbarheten skall vara tillräcklig för att föremålet skall kunna helhärda även i förhållandevis grova dimensioner utan att man skall behöva tillgripa mycket snabb kylning i olja eller vatten vid härdningen, vilket kan ge dimensionsförändringar.

Hårdheten i stålet skall vara minst 55 HRC, lämpligen 58-64 HRC efter anlöpning.

Krom är emellertid en kraftig ferritbildare. För att undvika ferrit efter härdning från 1020-1150°C får kromhalten ej överstiga 16 %, företrädesvis max. 15,5 %. En lämplig kromhalt är 13.2-14.5 %, nominellt 14.0 %.

Vanadin skall ingå i stålet i en halt av 5.0-8.0 % för att tillsammans med kol och eventuellt kväve bilda nämnda MC-karbider eller karbonitrideri stålets martensitiska anar: 10 15 20 25 30 35 5 1 s 6 7 s - - šfïšßiß 4 grundmassa i härdat och anlöpt tillstånd. Företrädesvis innehåller stålet minst 6.1 % och max. 7.5 % V. En lämplig vanadinhalt är 6.3-7.3 %, nominellt 6.8 % V.

I princip kan vanadin ersättas med niob för att bilda MC-karbider, men härför krävs dubbelt så stor mängd jämfört med vanadin, vilket är en nackdel. Dessutom medför niob att karbiderna får en kantigare fonn och blir större än rena vanadinkarbider, vilket kan initiera brott eller urflisningar och därmed sänka segheten i materialet. Detta kan vara särskilt allvarligt i stålet enligt uppfinningen, vars sammansättning optimerats med syfte att, beträffande materialets mekaniska egenskaper, åstadkomma utmärkt nötnings- motstånd i kombination med hög hårdhet och anlöpningsbeständighet. Stålet får därför inte innehålla mer än max. 0.1 % niob, företrädesvis max. 0.04 % niob. I den mest föredragna utföringsformen tolereras niob inte mer än som en oundviklig förorening i form av restelement härrörande från ingående råvaror vid stålets tillverkning.

Molybden skall finnas i en minsta halt av 2.1 %, företrädesvis minst 2.3 %, för att tillsammans med krom och den begränsade halten av mangan ge stålet önskad härdbarhet. Molybden bidrar även till stålets korrosionsresistens men är en kraftig ferritbildare. Maximalt får stålet därför innehålla 3.5 % Mo, företrädesvis max. 3.0, lämpligen max. 2.5 %.

Molybden kan i princip helt eller delvis ersättas av volfrarn, men härför krävs dubbelt så stor mängd volfram som molybden, vilket är en nackdel. Även skrothanteringen försvåras. Därför bör volfram inte ingå i en halt av mer än max. 1.0 %, företrädesvis max. 0.5 %. Allra helst bör stålet inte innehålla någon avsiktligt tillsatt volfram, som i den mest föredragna utföringsformen av uppfinningen inte bör tolereras mer än som en oundviklig förorening i förrn av restelement härrörande från ingående råvaror vid stålets tillverkning.

Utöver de nämnda legeringselementen behöver stålet, och bör inte, innehålla några ytterligare legeringselement i signifikanta halter. Vissa element är uttalat oönskade, eftersom de påverkar stålets egenskaper på ett oönskat sätt. Detta gäller t.ex. fosfor som bör hållas på så låg nivå som möjligt, företrädesvis max. 0.03 %, för att inte påverka stålets seghet negativt. Även svavel är i de flesta avseenden ett oönskat element, men dess negativa inverkan på främst segheten kan väsentligen neutraliseras med hjälp av mangan, som bildar väsentligen harmlösa mangansulfider och kan därför tolereras i en högsta halt av 0.2 % för att förbättra stålets skärbarhet. Företrädesvis innehåller stålet dock normalt inte mer än max. 0.1 %, företrädesvis max. 0.05 %. ixiax 10 15 20 25 30 35 "i ššfäjrfšsvß 518 678 Ytterligare kännetecken och aspekter på uppfinningen kommer att framgå av följ ande redovisning av utförda försök samt av de efterföljande patentkraven.

KORT FIGURBESKRIVNTNG I den följande redovisningen av utförda försök kommer att hänvisas till bifogade ritningsfigurer, av vilka Fig. 1 är ett fotografi som visar mikrostrukturen hos ett parti av ett föremål enligt uppfinningen, Fig. 2 visar anlöpningskurvor för ett antal undersökta stållegeringar, Fig. 3 visar ett parti av kurvoma i Fig. 2 i större skala, Fig. 4 illustrerar i form av ett diagram härdbarheten för ett stål enligt uppfinningen och för ett par referensmaterial med data från CCT-diagram, Fig. 5 visar den abrasiva nötningsbeständigheten hos ett stål enligt uppfinningen och hos ett par referensmaterial, och Fig. 6 illustrerar korrosionsresistensen hos de undersökta materialen i form av korrosionsströmmen, Ib, från materialens polarisationskurvor.

BESKRIVNING AV UTFÖRDA TESTER Material De kemiska sammansättningarna hos materialen som ingår i testserien framgår av Tabell 1. Stål nr 1 och 2 är referensmaterial. Båda är pulvermetallurgiskt tillverkade.

Stål nr 1 är ett kommersiellt stål av typ ELMAXTM, som nämnts i redogörelsen för uppfinningens bakgrund, och stål nr 2 är ett annat, kommersiellt tillgängligt stål. Stål 3A och 4A är riktvärden, medan stål nr 3 och nr 4 är analyserade sammansättningar hos ett par stål, vars innehåll av vanadin ligger i nedre, respektive övre delen av halt- intervallet för vanadin enligt den bredaste aspekten på den kemiska sammansättningen hos det stål, varav föremålet enligt uppfinningen är framställt. Stålen 3 och 4 har framställts genom den så kallade sprayformningstekniken, som även är känd under namnet OSPRAY-metoden, vid vilken ett omkring sin längsaxel roterande göt successivt byggs upp genom att en smälta i form av droppar sprutas mot den tillväxande änden av det göt som kontinuerligt framställs, varvid droppama bringas att stelna jämförelsevis snabbt, efter det att de träffat substratet, dock inte så snabbt som i pulvertillverkning och inte så långsamt som vid konventionell tillverkning av göt eller strängjutning. Mer bestämt bringas droppama att stelna så snabbt att bildade MC- och 1:51» 10 15 20 25 51 s 678 6 M7C3-karbider växer till önskad storlek enligt uppfinningen. De sprayformade göten av stål nr 3 och nr 4 hade en massa av ca 2.9, respektive ca 2.2 ton. Götdiametem var ca 500 mm.

De sprayformade göten av stål nr 3 och nr 4 uppvärmdes till smidestemperaturen 1100°C och smiddes till ämnen för fortsatta undersökningar.

Tabell 1 Kemisk sammansättning, vikts-% Stål, C Si Mn S Cr Mo V Nb N Rest nr 1 1.71 0.84 0.30 0.019 17.9 1.08 3.01 0.015 0.104 Fe och oundvikliga föroreningar 2 2.41 0.29 0.43 0.019 13.1 1.12 7.91 0.003 0.083 -”- 3A* 1.85 0.50 0.40 50.020 14.0 2.30 6.00 - 50.10 -”- 3 1.93 0.61 0.39 0.019 13.7 2.32 5.64 0.02 0.10 -”- 4A* 2.35 0.50 0.40 50.020 14.4 2.30 8.20 - 50.10 -”- 4 _”- * Aimed compositions I de studier som skall redovisas i det följande testades stål nr 1, 2 och 3 med avseende på ø mikrostruktur v hårdhet som funktion av austenitiserings- och anlöpningstemperatur o härdbarhet 0 duktilitet 0 abrasiv nötningsbeständighet o korrosionsbeständighet Mikrostruktur Mikrostrukturen hos stål nr 1 och 2 är typisk för pulverrnetallurgiskt tillverkade stål, vilket innebär att alla karbider är mycket små, max ca 3 um, och jämnt fördelade i stålets matrix oberoende av värmebehandling. Nlikrostrukturen i härdat, TA = 1120°C/30 min, och anlöpt tillstånd, 525°C/2 x 2 h, för stål nr 3 framgår av Fig. 1, som visar ett parti i centrum av en undersökt stång med tvårsektionen 350 x'63.5 mm. I stålets matrix, 1,111 10 15 20 25 30 35 s 1 s eva ? som består av anlöpt martensit, finns primärkarbider av MC-typ med en typiskt avrundad form och med en storlek från ca 1 pm upp till max ca 10 pm, samt krom- karbider, M7C3, med väsentligt mer utsträckt form. Kromkarbidemas storlek uppgick till max ca 15 x 50 pm i stångens centrum. I stångens yta, som också undersöktes men som inte visats i bild var såväl MC-karbidema som kromkarbiderna något mindre; upp till ca 6 pm respektive upp till ca 8 x 30 pm. Ett makroetsat tvärsnitt av stången visade även att strukturen är mycket jämn över hela tvärsnittet.

Karbidhalten undersöktes via punkträkning i svepelektronmikroskop. Totalhalten karbider i stål nr 3 uppmättes till 20.4 % och av dessa är 15.4 % kromrika (M7C3) och 5 % vanadinrika (MC). För stål nr 2 noterades den totala andelen karbider till 23.9 vo1-%, varav 13.1 är kromrika (M7C3) och 10.8 % är vanadinrika (MC). För stål nr 1 uppmättes totalhalten karbider till 14 % och av dessa är 13 % kromrika (MqCg) och 1 % vanadinrik (MC). Samtliga halter för karbidema avser vol-%. Värmebehandlingstillståndet var TA = 1l20°C/30 min + 250°C/2 x 2 h för stål nr 2 och nr 3 och TA = 1050°C/30 min + 250°C/2 x 2 h for stål nr 1 Hårdhet efter värmebehandling I mjukglödgat tillstånd har stålet enligt uppfinningen en hårdhet (Brinell-hårdhet) av 200-300 HB, typiskt ca 250 HB. Anlöpningstemperaturens inverkan på hårdheten efler austenitisering mellan 1080 och l150°C visas i Fig. 2. Stål nr 3 uppvisar ett krafligare sekundärhårdnande än de två referensstålen 1 och 2 efter austenitisering vid 1120 och l150°C och når en hårdhet av 63 HRC efier anlöpning vid 525°Cl2 x2 h. Ett parti av det område som omfattar puckeln på anlöpningskurvoma visas i förstoring i Fig. 3. Stål nr 2 hade samma hårdhet som stål nr 1 efter austenitisering vid ll20°C, men en väsentligt i sämre anlöpningsbeständighet än både stål nr 1 och nr 3.

Härdbarhet Hårdheten som funktion av svalningstiden mellan 800 till 500°C återges grafiskt i Fig. 4. Det kan av detta diagram konstateras att härdbarheten för stål nr 3 är klart bättre än för stål nr 1 och mycket bättre än fór stål nr 2.

Se et Slagenergin undersöktes med oanvisade provstavar efier härdning fi'ån TA = 1120°C/30 min för stål nr 2 och 3, respektive TA = 1100°C/30 min för stål nr 1 efter varierande anlöpningstemperatur mellan 200 och 550°C. Stångdimensionen var emellertid varierande för de undersökta stålen, varför resultaten inte är helt järnfórbara. Dock 11.1» 10 l5 20 25 30 35 518 678 8 kunde konstateras att för samtliga undersökta stål slagenergin uppgick till över 10 J för samtliga längsprover, vilket uppfyller kriteriet på godkännbar slagseghet för det uppfinningsenliga föremålets avsedda applikationsorriråde.

Abrasiv nötning Nötningsbeständigheten undersöktes via pinne-mot-skiva-test med Si02 som abrasivt medel. Beträflände de undersökta provens dimensioner och härdningstemperaturer gäller följande. Stål nr 1: ø 38 mm/TA = 1l00°C/30 min; Stål nr 2: ø 37 mmlTA= ll20°C/30 min; Stål nr 3: 350 x 63.5 mm/TA = ll20°C/30 min. Resultaten framgår av stapeldiagrammet i Fig. 5. Av detta diagram framgår att stål nr 3 för samtliga arilöpningstemperaturer uppvisade överlägset bästa nötningsbeständighet.

Korrosionsbeständighet Korrosionsbeständigheten uppmättes via potentialkurvor i 0.05 M H2SO4 vid ett pH = 1.2. Ik, vid aktiva toppen anger det relativa korrosionsmotståndet, dvs korrosionsströmmen bör vara så låg som möjligt. I stapeldiagrammet iFig. 6 järnförs de olika materialen som funktion av värmebehandlingstillstånd. Stål nr 3 uppvisade efter anlöpning upp till åtminstone 400°C bästa korrosionsmotstånd. Efter anlöpning vid 525°C sjönk korrosionsmötståndet för samtliga undersökta material; stål nr 3 något mer än stål nr 2 och betydligt mer än stål nr 1. Dock skall vid denna jämförelse noteras att stål nr 3 efter anlöpning hade en väsentligt högre hårdhet än järnförelsematerialen.

DISKUSSION De redovisade undersökningarna visar att av stål enligt uppfinningen kan framställas föremål med mycket hög nötningsbeständighet, som kan tillskrivas en kombination av stålets hårdhet och innehåll av karbider i tillräcklig mängd och storlek. En viktig faktor är även stålets härdbarhet, som är mycket god och bättre än jämförbara stål. Hårdheter på mellan 59 till 62 HRC har uppmätts efier anlöpning vid 200 och 400°C i kombination med utmärkt korrosionsresistens och på mellan 61 till 63 efter anlöpning vid 500°C.

Genom anlöpning vid ca 525°C kan erhållas en hårdhetstopp på mellan 61 till 64 HRC. I det senare fallet förlorar man en viss korrosionsresistens, men den höga hårdheten kan för vissa applikationer utnyttjas där högt ställda krav på korrosionsresistens ej föreligger. Uppfinningen ger sålunda en uttalad flexibilitet när det gäller anpassning av stålets användbarhet för olika applikationer genom val av lämplig värmebehandling. En mycket viktig faktor för stålets användbarhet är även att dess tillverkning, som baseras på sprayformningstekniken, är väsentligt billigare än pulvermetallurgisk tillverkning. 11-1» 518 678 šïï= II so: “I Det skall även inses att föremålet enligt uppfinningen kan ha vilken form som helst, innefattande sprayformade göt, ämnen i form av t.ex. plattor, stänger, block eller liknande som av ståltillverkaren normalt levereras i mjukglödgat tillstånd med en hårdhet av 200-300 HB, typiskt ca 250 HB till kund fór skärande bearbetning till slutlig produktform, samt den slutliga produkten som härdats och anlöpts till avsedd hårdhet for den aktuella applikationen.

Claims (23)

10 15 20 25 30 35 518 678 /O P1578 PATENTKRAV

1. Föremål av stål, k ä n n e t e c k n a t av att det består av en legering som innehåller i vikts-% 1.7-2.5 C 0.1-2.0 Si 0.1-2.0 Mn max 0.2 N max 0.2 S 12-16 Cr 2.1-3.5 (Mo +W/2) 5-8 V max 0.1 Nb rest väsentligen endast järn och oundvikliga föroreningar, och att stålet har en mikrostruktur erhållbar genom att stålets framställning innefattar sprutgjutning (spray forming) av ett göt, vilken mikrostruktur innehåller 14-25 vol-% karbider av huvudsakligen MC-typ, där M huvudsakligen utgörs av vanadin, av vilka karbider minst 80 vol-% har väsentligen avrundad form och en storlek i karbidemas längsta utsträckning som uppgår till 1-10 um, och MyCg-karbider, där M huvudsakligen utgörs av krom, vilka karbider typiskt har en mer långsträckt form än MC-karbidema, av vilka MqCg-karbider minst 80 vol-° u har en maximal utsträckning som uppgår till 3- 50 um.

2. Föremål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att miluostrukturen innehåller 3-8 vol- % MC-karbider och 10-20 vol-% MyCg-karbider.

3. Föremål enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att det efter härdning och anlöpning har en hårdhet av 55 till 64 HRC.

4. Föremål enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att stålets martensitiska gmndmassa etter härdning och anlöpning innehåller 0.2-0.7 vikts-% C i fast lösning.

5. Föremål enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att den totala halten C i stålet är minst 1.8 %. Inna» 10 15 20 25 30 35 518 678 /l

6. Föremål enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att den totala halten C i stålet är max 2.3 %. i

7. Föremål enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n at av att stålet innehåller 0.2- l.0 % Si.

8. Föremål enligt något av kraven 1-7, k ä n n e t e c k n a t av att stålet innehåller 0.2- l.0 % Mn.

9. Föremål enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k n at av att stålet innehåller minst 13 % Cr.

10. Föremål enligt något av kraven 1-9, k ä n n e t e c k n at av att stålet innehåller max 15.5 % cr, '

11. Föremål enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att stålet innehåller 13.2-14.5 % Cr.

12. Föremål enligt något av kraven 1-10, k ä n n e t e c k n a t av att stålet innehåller minst 6.1 % V.

13. Föremål enligt något av kraven 1-11, k ä. n n e t e c k n at av att stålet innehåller max 7.5 % V.

14. Föremål enligt krav 12 och 13, k ä n n e t e c k n at av att stålet innehåller 6.3-7.3 % V.

15. Föremål enligt något av kraven 12-14, k ä n n e t e c k n a t av att stålet inte innehåller mer än max 0.04 Nb.

16. Föremål enligt något av kraven 1-15, k ä n n e t e c k n a t av att stålet innehåller minst 2.3 % Mo.

17. Föremål enligt något av kraven 1-15, k ä n n e t e c k n a t av att stålet irmehåller max 3.0 % Mo.

18. Föremål enligt något av kraven 1-17, k ä n n e t e c k n at av att stålet inte innehåller mer än max 1.0 % W, företrädesvis max 0.5 % W. noen» 10 15 518 678 /2 nu nu.

19. Föremål enligt något av kraven 1-18, k ä n n e t e c k n a t av att stålet inte innehåller mer än max 0.1 % S, företrädesvis max 0.05 % S.

20. Föremål enligt något av kraven 3-19, k ä n n e t e c k n at av att det efter härdning och anlöpning vid en temperatur mellan l80-220°C har en hårdhet av 55-62 HRC, företrädesvis minst 59 HRC.

21. Föremål enligt något av kraven 3-19, k ä n n e t e c k n a t av att det efter härdning och anlöpning vid en temperatur mellan 380 och 450°C har en hårdhet av 55-62 HRC, företrädesvis minst 59 HRC.

22. Föremål enligt något av kraven 3-19, k ä n n e t e c k n a t av att det efter härdning 'från en temperatur mellan 480 och 520°C har en hårdhet av 60-63 HRC.

23. Föremål enligt något av kraven 3-19, k ä n n e t e c k n a t av att det efter härdning från en temperatur mellan 510 och 530°C har en hårdhet mellan 61 och 64 HRC.