DK156076B - Anvendelse af et koboltfrit hurtigstaal til skaerevaerktoej. - Google Patents

Description

DK 156076 B

Som følge af knapheden på og fordyrelsen af kobolt er der inden for fagverdenen et behov for et hurtigstål, som ikke indeholder noget kobolt, men som alligevel har mindst lige så gode egenskaber med hensyn til højtemperaturhårdhed og slidstyrke § ved høje temperaturer som de sædvanlige pu1vermeta11urgi sk fremstillede hurtigstål med f.eks. 5 og 8% kobolt.

Udefra ønsket om at give afkald på kobolt i hurtigstål må det tages i betragtning, at slidstyrken af et værktøjsstål afhæn-ger meget af, at vanadium og carbon foreligger i et i det mindste støkiometrisk forhold til dannelse af vanadiumcarbider i stål, da disse vanadiumcarbider danner en slidstærk hårdhedsfase i materialet, hvis styrke og hårdhed forbliver virksom også ved forhøjede temperaturer. Hårdheden ved forhøjede 15 temperaturer, ofte også betegnet "varmehårdhed", fremkaldes sædvanligvis også ved, at der tilvejebringes et højere koboltindhold, typisk et koboltindhold på mere end 5% i stålmateria-1 et.

20

Fra US patentskrift nr. 3.561.934 kendes et koboltfrit hurtigstål, der indeholder 1,8 til 2,2% vanadium og 6 til 6,5% wolfram .

Dette kendte stål opnår efter en austenitisering og tre gange 25 anløbning en hårdhed på mere end 64 HRC, men forholder sig ved højere temperaturer tydeligt mindre varmebestandigt end de sædvanlige hurtigstål med f.eks. 5 eller 8% kobolt.

Fra tysk offentliggørelsesskrift nr. 2.204.886 er det kendt at 30 anvende komplekse ferrolegeringer til fremstilling af værktøjsstål og hurtigstål, der indeholder kobolt i mængder på indtil 15%. Endvidere indeholder disse komplekse ferrolegeringer 5-30% chrom, 1-35% wolfram og 1-25% vanadium.

Mindste hårdheder fremgår ikke af dette offentliggørelsesskrift, men der kan ikke være tvivl om, at i det mindste de koboltfrie legeringer har en langt ringere højtemperaturstyrke og -slidstyrke end de sædvanlige pulvermetallurgisk fremstillede hurtigstål med 5 og 8% kobolt.

2

DK 156076 B

Fra US patentskrift nr. 3.591.349 kendes endvidere den praktiske anvendelse af elementære pulvere til pulvermetallurgisk fremstilling af produkter med foretrukken carbidfordel ing og -orientering, hvilke produkter bør indeholde indtil 15% ko-5 bolt. En stålsammensætning med 2,5% carbon og 5% kobolt giver en Rockwell hårdhed RHC på 67.

Det er den foreliggende opfindelses opgave at finde en stålsammensætning, som trods manglende eller kun ringe koboltind-10 hold er egnet til fremstilling af skæreværktøj, der ved forhøjet temperatur har en hårdhed og en slidstyrke, der er mindst lige så god af de sædvanlige hurtigstål med 5 eller endog 8% kobolt.

15 Denne opgave løses ved den i krav 1 anførte opfindelse.

Det ved hjælp af opfindelsen opnåelige tekniske fremskridt fremgår i første række af, at trods afkald på kobolt som nødvendig legeringskomponent kunne der findes en stå 1sammensæt-20 ning, som med hensyn til varmehårdhed og varmeslidstyrke viser sig jævnbyrdig med de sædvanlige koboltholdige sammensætninger af hurtigstål.

Opfindelsen beskrives nærmere, idet følgende med udførelses-25 eksempler og under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser de varme hårdhedsegenskaber af et stål ifølge opfindelsen i sammenligning med sædvanlige stål indeholdende 5% og 8% kobolt, 30 fig. 2 er en kurve, der viser virkningen af varierende wolframækvivalenter på hårdheden, og fig. 3 er en kurve, der viser virkningen af carbonindholdet på 35 hårdheden ved forskellige wolframækvivalenter.

3

DK 156076 B

Ifølge opfindelsen har det vist sig at ved at forøge "wolframækvivalensen" af et hurtigstål indeholdende ca. 1-6% vanadium til niveauer højere end de sædvanlige, er det muligt at opnå opnåelige hårdheder og varmehårdhedsegenskaber 5 som i øvrigt lignende legeringer, der indeholder nominelt 5% og 8% kobolt. En illustration af denne varmehårdheds-egenskab af et stål ifølge opfindelsen er vist på fig. 1, der sammenligner dets hårdhed ved forhøjet temperatur med hårdheden af i handelen værende superhurtigt gående værk-tøjstål indeholdende 5% og 8% kobolt (henholdsvis CPM T15 og CPM M42). Bestemmelserne af varmhårdhed blev foretaget på en Rockwell hårdhedsmåler, som var blevet modificeret til brug ved forhøjet temperatur ved tilføjelse af en ovn indeholdende en indifferent atmosfære og et forlænget ind-15 trykningsorgan med diamantspids. Ovnen er monteret på en tværslæde, som muliggør nøjagtig placering af hårdhedsindtrykkene på prøven. Et ydre indikeringsorgan markerer placeringen af tidligere indtrykninger på prøven på et billed-papir for at eliminere interferens mellem de forskellige 20 indtrykninger. Prøvetemperaturen måles med et termoelement, der er punktsvejset til prøvens overflade. Prøvens hårdhed tages ved stuetemperatur med det forlængede indtryknings-organ i højtemperatursamlingen og sammenlignes med hårdhedsmålinger fremkommet på samme prøve under anvendelse af den 25 normale prøveopstilling i et andet hårdhedsmåleapparat. Hvis der opnås en overensstemmelse på 0,5 HRC mellem målingerne på de to måleapparater aktiveres ovnen, og prøven opvarmes til den laveste af de anførte forhøjede temperaturer. Prøven gennembages ved temperaturen i 15 min., og der tages fem 30 hårdhedsaflæsninger, og prøven opvarmes til den næste ønske de afprøvningstemperatur, og processen gentages. På fig. 1 viser de fremkomne gennemsnits HRC aflæsninger for stålet ifølge opfindelsen og de i handelen værende stål indeholden 5% og 8% kobolt, at alle tre stål har sammenlignelige 35 hårdhedsegenskaber ved forhøjet temperatur. Hvis der ønskes yderligere hårdhed ved forhøjet temperatur, kan der anvendes en valgfri tilsætning af kobolt op til maksimalt 3%.

Desuden opnås styrkelse ved at have carbon til stede i grund- 4

DK 156076 B

massen i en mængde, der overstiger den, som kræves til at gå i forbindelse med vanadiumet. Selv om det er kendt at anvende wolfram og/eller molybdæn i hurtigstål, har virkningen deraf været at gå i forbindelse med det tilstedevæ-5 rende carbon til dannelse af karbider af disse grundstoffer.

På den anden side påvirker kobolt legeringen, især dens hårdhed ved forhøjede temperaturer, f.eks. den varmehårdhed eller den rødglødende hårdhed ved en anden mekanisme. Selv om både wolfram og/eller molybdæn og kobolt er kendt anvendt 10 i hurtigstål, har det derfor ikke hidtil været erkendt, at wolfram og/eller molybdæn kan anvendes i stedet for kobolt til at give rødglødende hårdhed i hurtigstål.

Det ifølge opfindelsen anvendte stål har følgende sammensæt-ning i vægt%: carbon minimum 0,60 + 0,20 x procent vanadium + 0,13 x procent niob maksimum carbonindhold 1,2 + 0,20 x procent vanadium + 0,13 x procent niob, mangan 1,25% maksimum, silicium 1,25% maksimum, chrom 3 til 5%, wolframækvivalent 24 til 27, vanadium 3 til 6% og resten jern. Legeringen ifølge 20 opfindelsen har en opnåelig hårdhed på mindst 67 Rc, når den er austenitiseret og tredobbelt anløbet ved 552°C. Desuden kan der være kobolt til stede op til 3%, og der kan være op til 4% niob, idet summen af vanadium og niob ikke overstiger 6%.

Som eksempel og til at demonstrere opfindelsen blev fremstillet de i tabel 1 anførte sammensætninger, som blev afprøvet med hensyn til hårdhed, som vist i tabel l.

30 35 5

DK 156076 B

4-0,2 in m in uo uo oi r. oo cm oo oo o oo o N to o o ® oo oo U ril ^ -t- in in in id in in m ιο co uo uo oo uo uo in K ^ id cm nd S + o . in m m m in in in m m fri σ u - « *.*. ·> *· « * *

U OO O Η H CO Η H CM 00 ^OHOO^-T-jCM

ord <i «tf VO VO UD VO ID ID ID ID ID ID ID ID »O ® W

!U — CO CM

Jj-tp g 0) M iH f3 ti £ s in m m in in in m uo m > Γ' σι r> > oo co > co oo m t- > oo 'f Ci inioiouo co cd id cd id id ιο id . vo ιο ιο CO 44

^4J

> c m ω μ1 Η οο'ψΓ^σι o cm r- oo co <x> o J5 CD H oo oo ri co oo oo cm hcococm^-Hid *. κ ·* ** *» W *«. W * *·**·>«** *· m cm m1 cn co c-'· «a1 ^ ^ uo t-~ r·'· oo o no in

jg j> r—1 ri CM CM ri CM CM CM CM CM CM CM CM H CM

40>

Jj ^ $ § *

Sri m m1 co oo n o ro cm σο σο oo H ro c~- oo o .pj-.-lrit? id id oo r-~ oo c-- co oo io o in oo.

Jj.p4.pj >·.».». Kfc·«,*.

U CD -P G i—i i—i i—i I—i riririrl ri ri ri ri r ri ri

CM CM

H o I I I I I I I I I i i 1 - JO 1 o c- ^ 1-4

H

ffl

<1 ID Γ"' OO i'' M* CO 00 OD CM ID LO ΙΟ O

r ιο co cm ο cj μ1 cn od "3· r~· γ·* oo r o o ^ v *» k ^ ^ *· *» ^ *» Λ ^ ^ _ m uo uo uo m m m m m m m m <- m m o\o

jJ

ΪΤ1 ri^t^^i1 00 CM O CO > h CO (\l n N

JR O UO uo CM ri UO uo CD UO UO UO CM UO UO

k Q kt < s s ^ Η ^ K ^ ^ ^ ^ Λ ^ ^ 'r'g O ri UO 00 CO ID CD CD Ό [" Γ'- 00 θ' O Ό ri -p S tpooco cm o O'- ro id co co co σ' id ω

-3 r-f 00 00 CD UO OO 00 O i—li—I CM CM CO O UO XO

I CM rri rH HHHcn 3333-33 ^ I 8

i CM OO O OO 00 «tf rl -tf «3« Γ' «tf -f CM UO A

mu OOOOOO OririCM rI ri ri ri C^ ri O v 3 rnrj «.>.·.>. «.».·.*. «.*.«.».·.*.*. «Co

m M* no «tf «tf «tf «tf «tf «tf «tf ·μ* oo «tf «tf G <R

1 ® *

3 UO CM OO UO CO «tf 00 O O (*1 CO CM N in I

m.^ricocMCM ocococo oo ro ro ro «- oo co Λ·’5’ « m ---- - - - * 0°¾¾ 1-1 CM r

CO

CM «CO

in m oo in coriooo co oo cm in c-- ο H ft d oo oo cm cm «tf oo «tf o 41 <ί cm i co

a --............ ^ . S

4J -H

CD CM -P

Γ~~ U1 «tf O UO ri OO CO |n if ID ID Di CO rl U +, W

n in r- r- σι t— r~~ co ooooooooouooo <D cm ό

*.*.·»>» ----. --- CD -r G

i—i ri i—I i—I 1—! i—I i—I ri rl rl Η Η «~ Η Η ·Η0Μ·Η •due

JJ uo GO O

fl) CM rl (D oo xo n . <r -P m u

ΐί U S EH CD UO CO

rj G «tf U) ΙΟ Γ~ OO ri CM CO «tf in ID r- 1 3332 3333 3333^10 & 3 Η Η Π η η η h RMMhoSS + >* 6

DK 156076 B

Selv om stålene ifølge opfindelsen hap en opnåelig hårdhed på mindst 67 Rc, når de er austenitiseret og tredobbelt anløbet ved 552°C, vil det forstås, at andre varmebehandlinger af stålene alligevel kan anvendes.

5

Udtrykket "wolframækvivalent" anvendt i den foreliggende opfindelse refererer til wolframindholdet + to gange molybdæn-indholdet, idet den virkning, som frembringes af wolfram opnås med halvt så meget molybdæn. Grundmassens carbonindhold er den 10 procentmængde carbon, som er til stede ud over den, som kræves til at reagere med vanadium og niobet og andre primære carbid-dannende grundstoffer til dannelse af carbider. Der kræves ca. 0,2% carbon til dette formål for hver 1% vanadium, der findes i legeringen, og carbonindholdet defineres derfor ved formler-15 ne minium 0,60% + 0,20 x procent vanadium og maksimum 1,2% C + 0,20 x procent vanadium.

Som det vil ses af dataene i tabel I og fig 2, som angår den opnåelige hårdhed og hårdheden efter 2 timers eksponering i 20 649°C og endnu en 2 timers eksponering i 649°C, er hårdheden som varmebehandlet af legeringer ifølge opfindelsen, nemlig IL36, IL42, IL43 og IL46 og IL47 sammenlignelig med eller lidt højere end hårdheden af den sædvanlige T15 legering indeholdende nominelt 5% kobolt. For at analysere virkningen af wol-25 framækvivalensen på hårdhedsegenskaberne var det nødvendigt at kompensere for virkningen af variationer i vanadiumindhold over de foreliggende tilstræbte 5% vanadium og i de høje vanadiumversioner af legeringerne ifølge opfindelsen ved at indstille det faktiske carbonindhold med en faktor på 0,2 (V ind-30 hold 5%). Tabel I indeholder de indstillede carbonoplysninger, der er anvendt til at konstruere fig. 2 og 3. Legeringerne ifølge opfindelsen, der konsekvent viser hårdhedsegenskaber, der er sammenlignelige med T15 legeringen indeholdende 5% kobolt, er de, som er koboltfrie og har wolframækvivalenter, der 35 ligger fra 24 til 27% ifølge opfindelsen. Der findes heller intet kobolt i disse legeringer. Det skal dog bemærkes, at med legeringerne IL35 og IL39, der har wolframækvivalenter på henholdsvis 14,88% og 17,88%, var hårdhedsværdier, som vist på

Claims (2)

25 Patentkrav.

1. Anvendelse af et pul vermetal 1 urgi sk fremstillet vanadium-holdigt hurtigstål af wolframtypen bestående af carbon minimum 30 0,60% + 0,20 x procent vanadium + 0,13 x procent niob og højst 1,2% + 0,20 x procent vanadium + 0,13 x procent niob, maksimalt 1,25% mangan, maksimalt 1,25% silicium,, 3-.:5-%, chrom, 3-6% vanadium + niob, forudsat at niobmængden ikke ®r større end 4%, og resten jern og smeltningsbetingede forurener, idet stå-35 let endvidere har et wolframækvivalent på 24 til 27, som materiale til hurtigt skæreværktøj med en Rockwell hårdhed HRC på mindst 67, når det er austeniti seret og tredobbelt anløbet ved 5 52 0 C. DK 156076 B

2. Anvendelse ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det anvendte stål har et koboltindhold på op til 3%. 5 10 15 20 25 30 35