PL249563B1

PL249563B1 - Narzędziowy stop odlewniczy o wysokiej twardości

Info

Publication number: PL249563B1
Application number: PL440950A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Tęcza
Original assignee: Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie
Priority date: 2022-04-14
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2026-05-11
Also published as: PL440950A1

Abstract

Narzędziowy stop odlewniczy o wysokiej twardości zawierający masowo 0,6 - 4,6% węgla (C), 0,5 - 2,0% manganu (Mn) poniżej 2,0% krzemu (Si), poniżej 0,05% fosforu (P), nie więcej niż 0,05% siarki (S), 1,0 - 3,0% Chromu (Cr), 0,5 - 2,0% niklu (Ni), 0,3 - 1,5% molibdenu (Mo), 0,02 - 0,05% glinu (Al), resztę stanowi żelazo (Fe) nieuniknione zanieczyszczenia charakteryzuje się tym, że w miejsce części żelaza (Fe) w skład stopu wchodzi co najmniej jeden z pierwiastków z grupy obejmującej tytan (Ti), niob (Nb), wanad (V), wolfram (W), cyrkon (Zr), hafn (Hf), tantal (Ta), przy czym suma łączna mas wagowych pierwiastków z tej grupy, użytych w stopie wynosi od 1,0 - 15,0% masy wagowej stopu. Stop korzystnie, może zawierać tytan (Ti) w ilości wagowej 4 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6 - 0,8%, wanad (V) w ilości wagowej 5,5 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6 - 0,8%, cyrkon (Zr) w ilości wagowej 8 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6 - 0,8%, niob (Nb) w ilości wagowej 8 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6 - 0,8%, wolfram (W) w ilości wagowej 15 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6 - 0,8%, tal (Ta) w ilości wagowej 15 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6 - 0,8%, hafn (Hf) w ilości wagowej 15 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6 - 0,8%.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest narzędziowy stop odlewniczy o wysokiej twardości.

Znane jest ze zgłoszenia patentowego PL 225743B1 staliwo wysokomanganowe odporne na ścieranie, zawierające wagowo: 0,7-2,0% C, 11,0-19,0% Mn, maks. 2,5% Si, maks. 1,5% Cr, maks. 1,0% Ni, maks. 0,10% P, maks. 0,04% S, tytan, reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia, znamienne tym, że zawartość tytanu wynosi 0,5-5,0%.

Znane jest ze zgłoszenia patentowego PL 230 940B1 staliwo chromowo-niklowe o podwyższonej odporności na ścieranie, zawierające wagowo: maks. 2,0% C, maks. 2,5% Mn, maks. 1,50% Si, maks. 0,05% P, maks. 0,05% S, 15,0-21,0%, Cr, 7,0-13,00% Ni, maks. 2,0% Mo, reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia, znamienne tym, że zawiera Ti w ilości wagowej 1,0-10,0%.

Znane jest ze zgłoszenia patentowego PL 233674B1 staliwo chromowo-niklowe o podwyższonej odporności na ścieranie, zawierające masowo: maks. 2,0% węgla, maks. 2,5% manganu, maks. 1,50% krzemu, maks. 0,05% fosforu, maks. 0,05% siarki, 15,0-21,0% chromu, 7,0-13,0% niklu, maks. 2,0% molibdenu, niob, reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia, znamienne tym, że zawartość niobu wynosi 5,4-10,0% masowych.

Znane jest ze zgłoszenia patentowego PL 232878B1 staliwo wysokomanganowe odporne na ścieranie, zawierające wagowo:0,7-2,0% węgla, 10,0-20,0% manganu, maks. 2,5% krzemu, maks. 1,5% chromu, maks. 1,0% niklu, maks. 0,5% molibdenu, maks. 0,10% fosforu, maks. 0,04% siarki oraz niob, reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia, znamienne tym, że zawiera niob w ilości 1,0-10,0% wagowych.

Znana jest ze zgłoszenia patentowego JP2012251189 stal narzędziowa do pracy na zimno o dobrej odporności na korozję i określonej odporności na zużycie, zawierająca w procentach wagowych: 1,10-2,00% C, 10,5-12,5% Cr, 0,6-1,0% Si, 0,4-1,0% Mn, 0,5-4,0% Mo, 0,5-4,0% W, 0,25-4,0% Co, 0,25-4,0% Ni oraz resztę Fe z nieuniknionymi zanieczyszczeniami.

Dotychczas do wyrobu elementów i części maszyn pracujących w warunkach zużycia (np. w przemyśle górniczym, wydobywczym czy przeróbki materiałów w postaci kruszyw) najczęściej stosuje się staliwa narzędziowe.

Znanych jest wiele gatunków tych stali, w których odporność na zużycie uzyskuje się głównie przez dodatki pierwiastków węglikotwórczych takich jak: V, W, Mo i Cr. Ze względu na dużą ilość węglików pierwotnych i wtórnych, plastyczność tych stopów ulega znacznemu pogorszeniu. Jest to ograniczenie zastosowania stali z bardzo dużą ilością węglików do wytwarzania narzędzi przez przeróbkę plastyczną i wiąże się z utratą zdolności takiej stali do przeróbki plastycznej na gorąco. Maksymalna twardość w stosowanych obecnie stalach szybkotnących wynosi około 65 HRC, co odpowiada około 850 HV. Ti i Nb obecnie dodawane są do stali w niewielkich ilościach, raczej jako modyfikator w ilości do 0,5%.

Odlewanie narzędzi ze stopu o założonym składzie chemicznym i bezpośrednie otrzymywanie narzędzi przez odlewanie jest metodą szybszą i tańszą, choć wymaga precyzyjnej technologii - wytapianych modeli. Charakteryzuje się również wysokim uzyskiem ciekłej stali (60:70%) w stosunku do 20:40% przy zastosowaniu walcowania bądź kucia. Opracowanie nowych, stopów o podwyższonej odporności na zużycie, o bardzo dużej twardości i dużym udziale twardych węglików w osnowie, pozwoli na zastosowanie ich na elementy przeznaczone do szczególnych zastosowań np. narzędzia dla przemysłu wydobywczego czy elementy maszyn do przeróbki materiałów.

Przedmiotem wynalazku jest narzędziowy stop odlewniczy o wysokiej twardości i odporności na ścieranie, uzyskiwany przez wytworzenie w procesie metalurgicznym, w ciekłej stali, pierwotnych węglików Ti, Nb lub Zr. Odlewnictwo i metalurgia ciekłej stali pozwala na wprowadzanie dużych ilości pierwiastków węglikotwórczych takich jak: Ti, Nb, Zr, V, W, Mo, co powoduje wytworzenie w osnowie stopu węglików pierwotnych (i wtórnych), które są w niej równomiernie rozmieszczone, a ograniczeniem staje się tylko lejność ciekłego stopu. Wytworzenie w osnowie tylko węglików pierwotnych (Ti, Nb lub Zr), które powstają w ciekłym stopie daje możliwość odlewania kompozytów. Ostateczne nadanie właściwości takich stopów - wysokiej twardości i odporności na ścieranie, uzyskuje się przez odpowiednio dobraną obróbkę cieplną, która polega na hartowaniu z temperatury zależnej od składu chemicznego i odpuszczaniu odprężającym.

Istotą narzędziowego stopu odlewniczego o wysokiej twardości zawierającego masowo 0,6-4,6% węgla (C), 0,5-2,0% manganu (Mn) poniżej 2,0% krzemu (Si), poniżej 0,05% fosforu (P), nie więcej niż 0,05% siarki (S), 1,0-3,0% chromu (Cr), 0,5-2,0% niklu (Ni), 0,3-1,5% molibdenu (Mo), 0,02-0,05%

PL 249563 Β1 glinu (Al), resztę stanowi żelazo (Fe) i nieuniknione zanieczyszczenia, jest to, że w miejsce części żelaza (Fe) w skład stopu wchodzi co najmniej jeden z pierwiastków z grupy obejmującej tytan (Ti), niob (Nb), wanad (V), wolfram (W) cyrkon, (Zr), hafn (Hf), tantal (Ta), przy czym suma łączna mas wagowych pierwiastków z tej grupy, użytych w stopie wynosi od 1,0-15,0% masy wagowej stopu.

Korzystnie stop zawiera tytan (Ti) w ilości wagowej 4 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.

Korzystnie stop zawiera wanad (V) w ilości wagowej 5,5 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.

Korzystnie stop zawiera cyrkon (Zr) w ilości wagowej 8 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.

Korzystnie stop zawiera niob (Nb)w ilości wagowej 8 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.

Korzystnie stop zawiera wolfram (W) w ilości wagowej 15 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.

Korzystnie stop zawiera tal (Ta) w ilości wagowej 15 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.

Korzystnie stop zawiera hafn (Hf) w ilości wagowej 15 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.

Przykład wykonania nr 1 (przykład staliwa z tytanem według wynalazku oraz opis procesu jego otrzymywania w piecu indukcyjnym o pojemności tygla 10 kg).

Otrzymano staliwo o składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 1, reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia.

Tabela 1

Skład chemiczny otrzymanego staliwa z Ti

Skład chemiczny [% mas.]
C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	Al	Ti
1,8	1,0	1,8	0,02	0,04	1,1	1,0	0,3	0,02	4,5

W tabeli 2 przedstawiono zestawienie materiałów wsadowych do wytopu staliwa narzędziowego z tytanem.

Tabela 2

Zestawienie materiałów wsadowych dla wytopu z tytanem

		Skład chemiczny [% mas.]
	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Ti	Masa [g]
G70CrMnSiNi Mo2	0,7 0	0,80	0,60	0,0 4	0,0 4	2,0	0,8		4680
surówka	4,0 0								2660
mangan		100, 0							40
krzem			100, 0						20

PL 249563 Β1

chrom						99, 9			50
nikiel							100, 0		30
tytan	0,1 0							70, 0	550
Skład	1,7 4	0,96	0,60	0,0 2	0,0 2	1,7 9	0,84	4,7 9	8030

Staliwo o wysokiej twardości i odporności na ścieranie z tytanem otrzymano w następujący sposób: Jako wsadu użyto 4680 g złomu własnego staliwa G70CrMnSiNiMo2 o znanym składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 2, reszta Fe i inne dodatki i nieuniknione zanieczyszczenia, który uzupełniono o 2260 g surówki jako nawęglacz o znanym składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 2, reszta Fe i inne dodatki i nieuniknione zanieczyszczenia. Składniki te załadowano na dno tygla przed włączeniem pieca. Po roztopieniu wsadu, nagrzaniu metalu do około 1600°C, wymieszaniu i wyrównaniu temperatury, metal odtleniono za pomocą aluminium w ilości 10 g i dodano porcjami (tak, aby nie obniżać temperatury kąpieli metalowej) resztę dodatków stopowych: 40 g manganu elektrolitycznego, 20 g krzemu metalicznego, 50 g chromu (99,9%Cr) i 30 g niklu elektrolitycznego. Po roztopieniu dodatków stopowych, wymieszaniu ciekłej stali i wyrównaniu temperatury, metal powtórnie odtleniono za pomocą aluminium w ilości 10 g i wprowadzono pierwiastek węglikotwórczy w postaci Fe-Ti (około 70% Ti, 30% Fe, w tym dodatki i nieuniknione zanieczyszczenia) w ilości 550 g. Fe-Ti dodawano porcjami, w taki sposób aby nie obniżać temperatury kąpieli metalowej. Po dodaniu ostatniej porcji żelazostopu, ciekły metal przetrzymano w piecu przez około 8 min. w celu wyrównania składu chemicznego i uzyskania temperatury zalewania formy (1560^-1580°C). Przed odlaniem metalu do formy, stop odtleniono za pomocą Fe-Ca-Si w ilości około 10 g i aluminium w ilości 5 g.

W ten sposób otrzymano staliwo o składzie podanym wyżej (tabela 1).

Po hartowaniu z temperatury 920°C oraz odprężaniu przy temperaturze 200°C uzyskano max. twardość 820 HV.

Odporność na zużycie ścierne w teście Millera, staliwa z przykładu 1, rośnie blisko czterokrotnie w porównaniu ze staliwem narzędziowym G70CrMnSiNiMo2.

Przykład wykonania nr 2 (przykład staliwa z niobem według wynalazku oraz opis procesu jego otrzymywania w piecu indukcyjnym o pojemności tygla 10 kg).

Otrzymano staliwo o składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 3, reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia.

Tabela 3

Skład chemiczny otrzymanego staliwa z Nb

Skład chemiczny [% mas.]
C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	Al	Nb
1,9	1,0	1,8	0,03	0,04	1,3	1,2	0,3	0,03	9

W tabeli 4 przedstawiono zestawienie materiałów wsadowych do wytopu staliwa narzędziowego z niobem.

PL 249563 Β1

Tabela 4

Zestawienie materiałów wsadowych dla wytopu z niobem

		Skład chemiczny [% mas.]
	C	Mn	Si	Cr	Ni	Nb	Masa [g]
G70CrMnSiNiMo2	0,70	0,80	0,60	2,0	0,80		4000
surówka 1	4,5	0,03	0,30				4000
Mn		80,0					90
Cr				100,0			120
Ni					100,0		100
Si			75,0				50
Nb						60,0	1300
Skład	2,15	1,09	0,76	2,08	1,37	8,1	9660

Staliwo o wysokiej twardości i odporności na ścieranie z niobem otrzymano w następujący sposób: Jako wsadu użyto 4000 g złomu własnego staliwa G70CrMnSiNiMo2 o znanym składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 4, reszta Fe i inne dodatki i nieuniknione zanieczyszczenia, który uzupełniono o 4000 g surówki jako nawęglacz o znanym składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 4, reszta Fe i inne dodatki i nieuniknione zanieczyszczenia. Składniki te załadowano na dno tygla przed włączeniem pieca. Po roztopieniu wsadu, nagrzaniu metalu do około 1600°C, wymieszaniu i wyrównaniu temperatury, metal odtleniono za pomocą aluminium w ilości 10 g i dodano porcjami (tak, aby nie obniżać temperatury kąpieli metalowej) resztę dodatków stopowych: 90 g Fe-Mn (80% Mn), 50 g Fe-Si (75% Si), 120 g chromu (99,9% Cr) i 100 g niklu elektrolitycznego. Po roztopieniu dodatków stopowych, wymieszaniu ciekłej stali i wyrównaniu temperatury, metal powtórnie odtleniono za pomocą aluminium w ilości 10 g i wprowadzono pierwiastek węg li kotwo rczy w postaci Fe-Nb (około 60% Nb, 40% Fe, w tym dodatki i nieuniknione zanieczyszczenia) w ilości 1300 g. Fe-Nb dodawano porcjami, w taki sposób aby nie obniżać temperatury kąpieli metalowej. Po dodaniu ostatniej porcji żelazostopu, ciekły metal przetrzymano w piecu przez około 8 min. w celu wyrównania składu chemicznego i uzyskania temperatury zalewania formy (1570^-1590°C). Przed odlaniem metalu do formy, stop odtleniono za pomocą Fe-Ca-Si w ilości około 10 g i aluminium w ilości 5 g.

Wtoku powyższych działań otrzymano staliwo o składzie wymienionym wyżej (tabela 3).

Po hartowaniu z temperatury 930°C oraz odprężaniu przy temperaturze 200°C uzyskano max. twardość 910 HV.

Odporność na zużycie ścierne w teście Millera staliwa z niobem rośnie ponad trzykrotnie w porównaniu ze staliwem narzędziowym G70CrMnSiNiMo2.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Narzędziowy stop odlewniczy o wysokiej twardości zawierający masowo 0,6-4,6% węgla (C), 0,5-2,0% manganu (Mn) poniżej 2,0% krzemu (Si), poniżej 0,05% fosforu (P), nie więcej niż 0,05% siarki (S), 1,0-3,0% Chromu (Cr), 0,5-2,0% niklu (Ni), 0,3-1,5% molibdenu (Mo), 0,02-0,05% glinu (Al), resztę stanowi żelazo (Fe) i nieuniknione zanieczyszczenia znamienny tym, że w miejsce części żelaza (Fe) w skład stopu wchodzi co najmniej jeden z pierwiastków z grupy obejmującej tytan (Ti), niob (Nb), wanad (V), wolfram (W) cyrkon, (Zr), Hafn (Hf), Tantal (Ta), przy czym suma łączna mas wagowych pierwiastków z tej grupy, użytych w stopie wynosi od 1,0-15,0% masy wagowej stopu.
2. Narzędziowy stop odlewniczy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera tytan (Ti) w ilości wagowej 4 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.
3. Narzędziowy stop odlewniczy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera wanad (V) w ilości wagowej 5,5 raza większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.
4. Narzędziowy stop odlewniczy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera cyrkon (Zr) w ilości wagowej 8 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.
5. Narzędziowy stop odlewniczy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera niob (Nb) w ilości wagowej 8 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.
6. Narzędziowy stop odlewniczy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera wolfram (W) w ilości wagowej 15 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.
7. Narzędziowy stop odlewniczy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera tal (Ta) w ilości wagowej 15 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.
8. Narzędziowy stop odlewniczy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że zawiera hafn (Hf) w ilości wagowej 15 razy większej niż zawarta w stopie ilość wagowa węgla pomniejszona o wartość 0,6-0,8%.