NO310244B1

NO310244B1 - Rustfritt stål med ferrittisk struktur

Info

Publication number: NO310244B1
Application number: NO19952106A
Authority: NO
Inventors: Pierre Pedarre; Pascal Terrien
Original assignee: Ugine Savoie Sa
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1995-05-29
Publication date: 2001-06-11
Also published as: FI952660L; PL179042B1; FI111557B; IL113508A0; ATE193064T1; FR2720410B1; CZ288539B6; EP0685567A1; EG20895A; GR3034002T3; FI952660A0; DK0685567T3; DE69516937D1; PT685567E; TW364018B; CA2150445A1; JPH07331391A; RU2132886C1; ES2147824T3; NO952106D0

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder et rustfritt stål med ferrittisk struktur og som har forbedret maskinerbarhet og særlig kan anvendes på området dreiemaskinering.

Med rustfrie stål menes jernlegeringer som inneholder minst 10,5 % krom.

Andre bestanddeler inngår i sammensetningen av stål for å modifisere deres struktur og egenskaper. Fire standardfamilier av rustfrie stål er kjent, som skjelnes fra hverandre ved sin struktur. Disse er:

- rustfrie stål med martensittisk struktur,

- rustfrie stål med austenittisk struktur,

- rustfrie stål med austeno-ferrittisk struktur,

- rustfrie stål med ferrittisk struktur.

Ferrittiske rustfrie stål er kjennetegnet ved en bestemt sammensetning, idet den ferrittiske struktur er spesielt frembragt etter valsing og kjøling av sammensetningen, ved hjelp av en glødevarmebehandling som gir dem nevnte struktur.

Blant de fire store familier av ferrittiske rustfrie stål, som bestemmes spesielt avhengig av deres krominnhold og karboninnhold, nevnes følgende: - Ferrittiske rustfrie stål som kan inneholde inntil 0,17 % karbon. Disse stål har etter kjøling, som etterfølger deres fremstilling, en austeno-ferrittisk to-fase struktur. De omformes til ferrittiske rustfrie stål etter gløding, til tross for et forholdsvis høyt karboninnhold. - Ferrittiske rustfrie stål med krominnhold som varierer mellom 11 og 12 %. Disse er ganske nær opptil martensittiske stål med 12 % krom, men avviker fra dem ved at deres karboninnhold er markert lavere.

For eksempel viser den etterfølgende tabell en serie med ferrittiske og martensittiske stål med karboninnhold foreskrevet av standarden: - Ferrittiske rustfrie stål med 17 % krom. Disse er de mest vanlige. Mange varianter av dem eksisterer, spesielt med hensyn til karboninnhold. Tilsetning av molybden gjør det mulig å forbedre deres korrosjonsbestandighet.

Generelt oppnås den ferrittiske struktur i stål fortrinnsvis ved å begrense mengden av kromkarbid, og det er av denne grunn at de fleste ferrittiske rustfrie stål har et karboninnhold mindre enn 0,12 %, eller til og med 0,08 %. - Ferrittiske rustfrie stål med 17 % krom, stabilisert ved tilsetning av bestanddeler med høy affinitet til karbon eller nitrogen, slik som titan, niob og zirkonium.

- Ferrittiske rustfrie stål med et høyt krominnhold, generelt større enn 24 %.

Fra et metallurgisk synspunkt er det kjent at visse bestanddeler som inngår i stål-sammensetningen fremmer forekomsten av en ferrittisk fase som har kubisk romsentrert struktur. Disse bestanddeler kalles alfa-dannende bestanddeler. Blant disse er krom og molybden. Andre bestanddeler betegnet gamma-dannende bestanddeler, favoriserer forekomsten av en gamma-austenittfase som har kubisk flatesentrert struktur. Blant disse bestanddeler er nikkel, og både karbon og nitrogen.

Når stål varmvalses, kan strukturen av stålet være en to-faset, ferrittisk og austenittisk struktur. Hvis kjølingen for eksempel er rask, er sluttstrukturen ferrittisk og martensittisk. Hvis den er langsommere, dekomponerer austenitt delvis til ferritt og karbider, men med et høyere karbidinnhold enn den omliggende matriks, idet austenitt mens den er varm, har løst mer karbon enn det ferritt har. I begge tilfeller må de varmvalsede og kjølede stål anløpes eller glødes for å frembringe en fullstendig ferrittisk struktur. Anløpning kan utføres ved en temperatur på ca. 820° C, dvs. under alfa ->■ gamma-overgangstempera-turen A1 som forårsaker karbidutfelling.

Det er også mulig å foreta glødning ved en høyere temperatur, f.eks. på 870° C, hvilket fører til en mer markert mykning av martensitt, men forårsaker delvis overgang til austenitt. En langsom kjøling er deretter nødvendig for å dekomponere den dannede austenitt til ferritt og karbider, og derved forhindre dannelse av ny martensitt.

I fremstillingen av såkalte stabiliserte ferrittiske stål inngår karbon i forbindelse med de stabiliserende bestanddeler, slik som titan og/eller niob, og deltar ikke lenger i dannelsen av gamma-dannende fase, som ikke lenger er tilstede i matriksen. I dette tilfelle er det etter varmvalsing mulig å oppnå et stål med fullstendig ferrittisk struktur.

Når det gjelder fysikalske egenskaper er den tydeligste forskjell mellom ferrittiske stål og austenittiske stål den ferro-magnetiske adferd av den førstnevnte.

Den termiske konduktivitet for ferrittiske stål er meget lav. Ved romtemperatur ligger den mellom den for martensittiske stål og den for austenittiske stål. Det tilsvarer den termiske konduktivitet for austenittiske stål ved temperaturer mellom 800 og 1000° C, og sådanne temperaturer tilsvarer temperaturen for stål under maskinering.

Fra et maskineringssynspunkt er den termiske ekspansjonskoefftsienten for ferrittiske stål ca. 60 % høyere enn den for austenittiske stål. Videre har ferrittiske stål mekaniske egenskaper som er klart dårligere enn de for martensittiske og austenittiske stål.

Som et eksempel viser tabellen nedenfor en serie ferrittiske, martensittiske og austenittiske rustfrie stål og de tilhørende mekaniske egenskaper (Rm).

Under fremstillingen av stål med ferrittiske strukturer, er flytespenningene ved valsetemperaturene markert lavere enn dem for austenittiske stål eller martensittiske stål. Følgelig utføres valsing ved forholdsvis lave temperaturer.

Som et antydende eksempel er flytespenningen ved en valsetemperatur på 1100° C og deformasjonshastighet på 1 s"<1> 110 MPa for et martensittisk stål av typen AISI 420 A mens den er 130 MPa for et austenittisk stål av typen AISI 304 og 30 MPa for et ferrittisk stål av typen AISI 430.

Stål med ferrittisk struktur utsettes ikke for en rask kjøling av bråkjølende eller hyper-bråkjølende type, slik som martensittisk eller austenittisk stål gjør. På den annen side utsettes de vanligvis for velspesifiserte varmebehandlinger utenfor produksjonslinjen som gir dem deres struktur. Hensikten med varmebehandlinger utenfor produksjonslinjen er også å fordele krombestanddelen homogent og forhindre dannelse av kromkarbid samt forekomst av krom-utarmede områder.

For eksempel har ikke-stabilisert 17 % kromstål med ferrittisk struktur etter valsing en ferrittisk og martensittisk struktur. På den ene side omformer varmebehandling martensitt til ferritt og karbider, og fordeler krom homogent på den annen side.

Når det gjelder anvendelse, forårsaker ferrittiske rustfrie stål maskinerbarhetsproblemer som er svært forskjellige fra sådanne man støter på ved rustfrie stål med austenittisk eller martensittisk struktur.

En stor ulempe med ferrittiske stål er den dårlige tilformingen til spon. Disse stål danner lange og sammenfiltrede spon som er meget vanskelige å stykke opp. Det er derfor nødvendig at operatørene holder seg nær maskinen, for å rense arbeidsverktøyet. Denne ulempe kan straffe seg i form av høye kostnader i tilfeller av maskinering hvor sponet sperres inne, f.eks. ved dyp-hullsboring eller avviksboring.

En måte å løse dette problem på, er å maskinere ved en høy skjærehastighet for å stykke opp sponet, men for det første reduserer økningen i skjærehastighet drastisk verktøyets levetid og, for det andre, tillater ikke alltid maskinene at høye nok hastigheter nås, særlig når det fremstilles komponenter med liten diameter, spesielt ved maskinering i dreiebenk.

En annen anvendt løsning for å lette problemene ved maskinering av ferrittiske stål er å innføre svovel i sammensetningen. Svovel danner sammen med mangan mangan-sulfider som har en gunstig virkning på oppstykkingen av sponet og sekundært på verktøylevetiden. Svovel forringer imidlertid egenskapene til ferrittisk stål, spesielt varm-og kald-deformerbarheten og korrosjonsbestandigheten.

De nevnte ferrittiske stål inneholder vanligvis harde urenheter av typen kromitt (Cr Mn, Al Ti)0, aluminiumoksyd (AIMg)O eller silikat (SiMn)O, som gir slitasje på skjæreverktøyet.

Det er blitt vist at resulfuriserte ferrittiske stål har god maskinerbarhet, men i tillegg til korrosjonsbestandigheten, er de mekaniske egenskapene i tverretningen i høy grad dårligere.

Hensikten med denne oppfinnelsen er å frembringe et ferrittisk stål med forbedret maskinerbarhet, og som har markert bedre egenskaper enn for eksempel resulfuriserte ferrittiske stål, og i en annen utførelsesform å frembringe et maskiner-bart ferrittisk stål som inneholder lite eller intet svovel.

Oppfinnelsen gjelder således et rustfritt stål med ferrittisk struktur og forbedret maskinerbarhet, og som særlig kan anvendes på området dreiemaskinering, idet stålet i sin sammensetning omfatter:

idet Ca/O-forholdet, nemlig forholdet mellom kalsiuminnhold og oksygeninnhold, er gitt ved 0,2 < Ca/O < 0,6.

Fortrinnsvis omfatter det rustfrie stål med ferrittisk struktur i sin sammensetning:

idet Ca/O-forholdet, nemlig forholdet mellom kalsiuminnhold og oksygeninnhold, tilfredsstiller betingelsen 0,35 < Ca/O < 0,6.

I en utførelsesform av oppfinnelsen omfatter det rustfrie stål med ferrittisk struktur i sin sammensetning:

Andre kjennetegn ved oppfinnelsen er at det ferrittiske stål omfatter melllom 0,15 til

0,45 % svovel.

I andre utførelsesformer av oppfinnelsen kan:

- det ferrittiske stål omfatte mindre enn 0,035 % svovel,

- det ferrittiske stål omfatte fra 0,05 til 0,15 % svovel,

- det ferrittiske stål inneholde, i sin sammensetning, mindre enn 3 % molybden.

Den etterfølgende beskrivelse og de vedføyde tegninger, som alle er gitt som ikke-begrensende eksempler, vil belyse oppfinnelsen, idet: Fig. 1 og 2 er diagrammer som viser formen på sponene som funksjon av maskinerings-forholdene, henholdsvis for et kjent ikke-resulfurisert ferrittisk stål av typen AISI

430, betegnet med referansen A, og for et austenittisk stål av typen AISI 304, fig. 3 viser forskjellige former av spon som fremkommer fra maskinering når forskjellige

metaller dreiemaskineres,

fig. 4 er et ternært diagram som viser sammensetningen av de smibare oksyder som

innføres i sammensetningen av ferrittisk stål ifølge oppfinnelsen,

fig. 5 og 6 er diagrammer som viser sponformen som funksjon av maskinerings-forholdene, henholdsvis for et kjent AISI 430F ferrittisk stål C og for et resulfurisert ferrittisk stål S i henhold til oppfinnelsen,

fig. 7 er et diagram som viser tre karakteristiske kurver for utprøvning av maskinerbarhet, dvs. en kurve som tilsvarer stål med referanse A, mens de to andre tilsvarer to stål innenfor rammen av oppfinnelsen, dvs. C1 og C2, og som

inneholder lite svovel, og

fig. 8 er et diagram som skjematisk viser formen på spon som funksjon av redskaps-tilførsel og maskinerings-skjæretykkelse for et stål C2 i henhold til oppfinnelsen.

Innenfor maskinerbarhetområdet for rustfrie stål i sin alminnelighet, og som er avhengig av de anvendte ståls forskjellige strukturer, er problemene man møter, ikke bare forskjellige, men også særlig spesifikke. Problemene man støter på ved maskinering av ferrittiske stål har ingen sammenheng med problemene man støter på ved maskinering av austenittiske eller martensittiske stål.

Austenittiske rustfrie stål har for eksempel den ulempe at de blir deformasjonsherdet og at det meget raskt oppstår slitasje på skjæreverktøyet, samt at formen på sponet blir dårlig, uten sammenligning med den for ferrittisk stål.

Fig. 1 og 2 er diagrammer som viser formen på spon som funksjon av den tilførsel og maskineringsskjæretykkelse som bestemmes for henholdsvis et ikke-resulfurisert AISI 430 ferrittisk stål, som tilsvarer referanse A, og et AISI 304 austenittisk stål.

For å være istand til å sammenligne formen på sponene er det i fig. 3 vist en tabell som knytter en koeffisient med forskjellige etterfølgende tall, til de forskjellige former på sponene, idet det første tall angir forskjellige, generelle sponmønstre og danner kolonnene i tabellen, slik som 1 båndspon, 2 rørspon, 3 spiralspon, 4 skivet skrueformet spon, 5 konisk skrueformet spon, 6 bueformet spon, 7 enkeltspon og 8 nålespon, mens det andre tall angir en størrelse og formkarakteristikk klassifisert i hver av kolonnene, slik som 1 lang, 2 kort, 3 sammenfiltret, 4 plan, 5 konisk, 6 sammenfiltret og 7 oppstykket.

Martensittiske rustfrie stål har sterke mekaniske egenskaper som frembringer høye skjæretemperaturer og rask verktøyslitasje.

På grunn av de svake mekaniske egenskaper til rustfrie stål med ferrittisk struktur, gir nevnte stål ikke samme grad av maskinering og degradering av skjæreverktøyet som de martensittiske stål.

Det foreligger to typer ferrittiske rustfrie stål, avhengig av deres svovelinnhold:

- automatstål med et svovelinnhold mellom 0,15 og 0,55 %. Denne type stål oppviser god maskinerbarhet ved dreiemaskinering, men på bekostning av korrosjonsbestandighet, - normalstål med et svovelinnhold mindre enn 0,035 %. Denne type stål har god korrosjonsbestandighet, men bearbeides ikke, eller nesten ikke, på grunn av de vanskeligheter man støter på ved dreiemaskinering, og - stål med mellomliggende mengder av svovel, som tilsvarer et innhold mellom 0,05 % og 0,15 %, er ikke i handelen. Grunnen til dette er at deres maskinerbarhet bare er meget moderat forbedret ved disse svovelinnhold sammenlignet med de såkalte resulfuriserte stål. De har ingen virkelig fordel sammenlignet med den ulempe at korrosjonsbestandigheten fremdeles er forringet.

Ifølge oppfinnelsen omfatter et ferrittisk rustfritt stål med forbedret maskinerbarhet, og som særlig kan anvendes på dreiemaskineringsområdet, i sin vektsammensetning mindre enn 0,17 % karbon, mindre enn 2 % silisium, mindre enn 2 % mangan, mellom 11 og 20 % krom, mindre enn 1 % nikkel, mindre enn 0,55 % svovel, mer enn 30

xlO"<4> % kalsium og mer enn 70x10"<4> % oksygen, idet stålet etter bearbeiding utsettes for en glødebehandling for oppnå en ferrittisk struktur.

Nærværet av nikkel i sammensetningen, og som skyldes den industrielle bearbeiding av stålet, er bare en restbestanddel som det er ønskelig å redusere, og til og med fjerne.

Innføringen, på en kontrollert og hensiktsmessig måte, av kalsium og oksygen ved høye innhold som tilfredsstiller forholdet 0,2 < Ca/O < 0,6, fremmer dannelsen av smibare oksyder i det ferrittiske stål valgt i et AI203/Si02/CaO-temært diagram, innenfor området av trippelpunktet for anortitt/gelenitt/pseudo-wollastonitt, som vist i fig. 4. Nærværet av kalsium og oksygen reduserer følgelig dannelsen av harde og ødeleggende urenheter av kromitt-, aluminiumoksyd- og silikat-type.

Det er funnet at innføringen av oksyder basert på kalsium og oksygen i stål med ferrittisk struktur, som erstatter de eksisterende harde oksyder, ikke på noen måte endrer de andre egenskapene til ferrittisk stål med hensyn til varm- eller kalddeformasjon, eller også korrosjonsbestandighet. Selv om resulfuriserte ferrittiske stål har god maskinerbarhet, idet sponoppstykkingen fremmes ved nærværet av svovel i sammensetningen av stålet, forbedrer overraskende nok innføringen av smibare oksyder i stålets struktur, maskinerbarheten betydelig.

De såkalte smibare urenheter i det likeledes smibare stål kan ikke ha samme oppførsel som smibare urenheter i et ikke-smibart stål med austenittisk eller martensittisk struktur. Grunnen til dette er at valsetemperaturene for ferrittiske stål er lavere enn valsetemperaturene for stål med annen struktur og flytespenningen av ferrittiske stål forblir meget lav ved disse valsetemperaturer.

På grunn av flytespenningenes lave verdier er det virkelig uventet at de såkalte smibare oksyder er istand til å deformeres for å ha innflytelse på sponets form og oppførsel under maskinering.

Fig. 5 og 6 er diagrammer som viser formen på sponet som funksjon av verktøytilførsel og maskineringsskjæretykkelse fastlagt for henholdsvis et stål betegnet C og av resulfurisert AISI 430F type, og et resulfurisert stål S i henhold til oppfinnelsen.

Sammensetningen av referansestålet C er gitt i tabell 1.

Sammensetningen av stålet S i henhold til oppfinnelsen er gitt i tabell 2.

For et stål i henhold til oppfinnelsen er sponfjerningsfenomenet meget spesielt. Uten at det er vesentlig markert på sponet, økes oppstykkingen betydelig.

Kalsium og oksygen er også blitt innført på en kontrollert måte i ferrittisk stål som i sin sammensetning har et svovelinnhold mindre enn 0,035 %.

Stål i henhold til oppfinnelsen kan også inneholde mindre enn 3 % molybden, som er et element som forbedrer korrosjonsbestandigheten. Det er observert at stål med ferrittisk struktur i henhold til oppfinnelsen, og som inneholder lite eller intet svovel, i høy grad oppviser forbedret maskinerbarhet på en slik måte at dette stål kan anvendes industrielt for dreiemaskinering, mens det fremdeles har god korrosjonsbestandighet.

I et eksempel på anvendelse er det gjennomført en sammenligning av maskinerbarheten for ikke-resulfurisert ferrittisk stål som ikke inneholder oksyder av anortitt-, gelenitt- og pseudo-wollastonitt-type, referanse A, og for to stål C1 og C2 innenfor rammen av oppfinnelsen.

Tabell 3 viser sammensetningen av referansestålet A, mens tabell 4 viser sammensetningen av stålene C1 og C2 innenfor rammen av oppfinnelsen.

I en maskinerbarhetsprøve, vist i fig. 7, observeres det i løpet av maskineringen av referansestål A, stål C1 og stål C2 varierende slitasjehastigheter av et belagt karbid-verktøy. For å være mer krevende utføres prøven uten smøring. Det observeres en nedgang i sideslitasjen av verktøyet ved sammenligning av referansestål A (kurve A), stål C1 (kurve C1) og stål C2 (kurve C2) i henhold til oppfinnelsen.

På grunn av sin sammensetning inneholder faktisk stål C1 ikke nok av de såkalte

smibare oksyder av anortitt-, gelenitt- og pseudo-wollastonitt-type på grunn av mangelen på kalsium i metallet. Videre observeres det i diagrammet i fig. 8 at stål C2 i henhold til oppfinnelsen har et markert større oppstykkingsområde enn det for referansestål A og til og med nær det for referansestål C, som er et resulfurisert ferrittisk stål.

Når det gjelder stål med mellomliggende svovelinnhold, nemlig mellom 0,05 og 0,15 %, finner man at stål i henhold til oppfinnelsen har en maskinerbarhet som er sammen-lignbar med den for resulfuriserte stål mens det fremdeles har bedre korrosjonsbestandighet.

I en annen anvendelse har det vist seg at nærværet av såkalte smibare oksyder i et ferrittisk stål har særlige fordeler. Grunnen til dette er at de smibare oksyder kan deformeres i valseretningen, mens de harde oksyder som de erstatter, har en granulær form. På området trådtrekking av ferrittiske ståltråder med liten diameter reduserer de valgte urenheter i henhold til oppfinnelsen følgelig bruddhyppigheten av den trukne tråd.

På området fremstilling av stålull ved høvling av en tråd fremstilt i ferrittisk rustfritt stål, forårsaker de harde urenheter, som raskt sliter ut høvelverktøyet på grunn av sin granu-lære form, også betydelige brudd som svekker stålullens kvalitet. Ifølge oppfinnelsen har de ferrittiske rustfrie stål i form av tråder med smibare urenheter, og som utsettes for høvling, egenskaper som sikrer dannelse av stålullfibre med større gjennomsnittslengde og tillater høvling med mye mindre resttråd, hvilket gjør det mulig å spare på materialet.

På et annet anvendelsesområde, f.eks. ved pusseprosesser, er de harde urenheter innkapslet i det ferrittiske stål hvor de forårsaker overflatesprekker.

Det ferrittiske stål i henhold til oppfinnelsen, som omfatter smibare urenheter, kan mye enklere pusses for å oppnå en forbedret, polert overflatefinish.

Claims

1. Rustfritt stål med ferrittisk struktur og forbedret maskinerbarhet, og som særlig kan anvendes på området dreiemaskinering, karakterisert ved at det i sin sammensetning omfatter: idet Ca/O-forholdet, nemlig forholdet mellom kalsiuminnhold og oksygeninnhold, er gitt ved 0,2 < Ca/O < 0,6.

2. Stål med ferrittisk struktur som angitt i krav 1, karakterisert ved at det i sin sammensetning omfatter: idet Ca/O-forholdet, nemlig forholdet mellom kalsiuminnhold og oksygeninnhold, tilfredsstiller betingelsen 0,35 < Ca/O < 0,6.

3. Rustfritt stål med ferrittisk struktur som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at det i sin sammensetning omfatter: idet Ca/O-forholdet, nemlig forholdet mellom kalsiuminnhold og oksygeninnhold, tilfredsstiller betingelsen 0,35 < Ca/O < 0,6.

4. Stål med ferrittisk struktur som angitt i krav 1 eller 3, karakterisert ved at det omfatter mindre enn 0,035 % svovel.

5. Stål med ferrittisk struktur som angitt i krav 1 eller 3, karakterisert ved at det omfatter mellom 0,15 % og 0,45 % svovel.

6. Stål med ferrittisk struktur som angitt i et av kravene 1 - 3, karakterisert ved at det omfatter mellom 0,05 % og 0,15 % svovel.

7. Stål med ferrittisk struktur som angitt i et av kravene 1 - 6, karakterisert ved at det dessuten omfatter mindre enn 3 % molybden.

8. Stål med ferrittisk struktur som angitt i et av kravene 1 - 7, karakterisert ved at det omfatter silisiumoksyd/aluminiumoksyd/kalsium-oksyd-urenheter av anortitt-, pseudo-wollastonitt- og/eller gelenitt-type.