SE500078C2 - Sätt att rena ett lagerstål - Google Patents

Description

500- 078 2 Det är ett första ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma ett lagerstål med hög kvalitet och med en utmärkt beständighet mot utmattning, nämligen med en nominell livslängd (B10) som är tre gånger och en genomsnittslivslängd (B50) som är sex gånger så lång som livslängden hos konventionella stål- material, och som därför har en beständighet mot utmattning ekvivalent med samma storhet hos ett ESR-material.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett lagerstål med hög kvalitet, i vilket stål ingår en mycket ringa mängd oxidinneslutningar, varjämte detta stål har en förbättrad kallbearbetbarhet.

För att de ovan uppställda målen och andra mål skall kun- na nås enligt uppfinningen åstadkommes ett lagerstål av hög kvalitet, i vilket stål mängderna legeringselement väljs så, att de utgörs av 0,70 till 1,10 viktprocent C, 0,15 till 1,60 viktprocent Si, 0,15 till 1,15 viktprocent Mn och 0,50 till 1,60 viktprocent Cr jämte en O-halt lika med 0,0006 viktprocent, som är den minsta 0-halten som kan uppnås med för dagen före- kommande metoder för rening medelst vakuumurgasning. Råmateria- len väljs på grundval av noggranna normer för att minska mäng- den föroreningar som, om de införs, bildar inneslutningar och därvid minskar beständigheten mot utmattning. Mängden Ti väljs lika med 0,0015 viktprocent eller mindre, och mängden Al väljs lika med 0,015 viktprocent eller mindre, varjämte mängden S minskas till 0,002 viktprocent eller mindre, vilket är avsevärt mindre än i konventionella stålmaterial. Mängderna förorenings- element minskas, dvs. mängden P minskas till 0,0l0 viktprocent eller mindre och mängden N minskas till 0,0050 viktprocent el- ler mindre så att mängden ometalliska inneslutningar i stålet blir minskad till 0,010 procent i area eller mindre. Genomsnitts- storleken hos ometalliska inneslutningar blir minskad till 15 pm eller mindre.

Enligt en metod för tillverkning av ett i hög grad rent la- gerstål med de ovan angivna ingående delarna enligt föreliggan- de uppfinning väljs goda stålråmaterial, och efter rengöring me- delst oxidation i en elektrisk ugn hälls de upp i en gjutskopa.

Det smälta stålet utsätts för defosforering samtidigt som det hälls upp i gjutskopan eller efteråt. Oxidslaggen på det smälta 500 078 3 stålet absorberas och avlägsnas med en vakuumslaggrenare. En i hög grad basisk slagg med en basicitet lika med 3 eller mera (en reduceringsslagg med utmärkta avsvavlingsegenskaper så att FeO + MnO 1 0,5 viktprocent och Ca0/SiO2/A12O3 = 0,3 till 0,4) framställs medelst en elektrisk ugn. Rening medelst reducering utförs för att minska mängden S till 0,002 viktprocent eller mindre och mängden 0 till 0,0020 viktprocent eller mindre och för att minska mängden Ti samtidigt som badtemperaturen regle- ras, en indifferent gas införs genom dubbla porösa tegelstenar och det smälta stålet rörs om. Efteråt utförs vakuumurgasning medelst en anordning för cirkulerande vakuumurgasning på så sätt att kraftig cirkulering utförs under 2/3 av hela behand- lingstiden medan svag cirkulering utförs under 1/3 av den tota- la behandlingstiden, varvid mängderna O, N och H minskas ytter- ligare. Rening genom reducering utförs därpå genom att det smäl- ta stålet omrörs svagt i en reducerande atmosfär vid ett tryck som är högre än normaltrycket för att tillåta små inneslutning- ar att flyta och att avlägsnas. Slutligen utförs kapslad gjut- ning för framställning av det i hög grad rena lagerstålet.

Ett första stål enligt föreliggande uppfinning består vä- sentligen av 0,70 till 1,10 viktprocent C, 0,15 till 1,60 vikt- procent Si, 0,15 till 1,15 viktprocent Mn, 0,010 viktprocent eller mindre P, 0,002 viktprocent eller mindre S, 0,50 till 1,60 viktprocent Cr,0,015 viktprocent eller mindre Al, 0,0006 viktprocent eller mindre O, 0,0050 viktprocent eller mindre N och 0,00l5 viktprocent eller mindre Ti, varvid återstoden är Fe och föroreningselement. Ett andra stål enligt föreliggande uppfinning består väsentligen av 0,05 till 0,50 viktprocent Mo och andra beståndsdelar hos det första stålet och har för- bättrad härdbarhet. Ett tredje stål enligt föreliggande upp- finning består väsentligen av antingen V eller Nb eller båda- dera med vardera 0,05 till 0,30 viktprocent förutom bestånds- delarna i det första stålet, varvid man erhåller förbättrad slitstyrka. I enlighet med det av föreliggande uppfinning angivna sättet för tillverkning av ett lagerstål går man så tillväga när stålet framställs att slagg på det smälta stålet som hälls från en smältugn till en separat behållare (9Üut- skopa) absorberas och avlägsnas med en vakuumslaggrenare. I 5-00 078 4 närvaro av en i hög grad basisk slagg utförs därefter reduce- ringsrening under betingelser med kraftig omrörning och regle- ring av badtemperaturen. Vakuumurgasning utförs därpå medelst kraftig och svag cirkulering med hjälp av en anordning för cir- kulerande vakuumurgasning. Därpå utförs reducerande rening under svag omrörning i en reducerande atmosfär vid normaltryck.

Skälen till att de övre och/eller undre gränserna för mängderna av de respektive beståndsdelarna i stålet enligt före- liggande uppfinning begränsas kommer att anges nedan.

Kol är ett viktigt element som måste inkluderas så att man uppnår en hårdhet HRC lika med 60 eller högre som krävs för ett lagerstål. Kol måste ingå i en mängd av 0,70 viktprocent eller högre för att detta krav skall uppfyllas. När emellertid C ingår i en mängd som överskrider 1,10 viktprocent uppstår en benägenhet för stora karbider att bildas och för beständigheten mot utmattning och slaghållfastheten att minskas. Av detta skäl _sätts den övre gränsen för C-halten i stål till 1,10 viktpro- cent.

Kisel är ett element som behövs för att förbättra desoxi- dationsegenskaperna och härdbarheten samt för att förbättra be- ständigheten mot utmattning och slaghållfasthetsegenskaperna_ Kisel måste ingå i en mängd av 0,15 viktprocent eller mera. När emellertid Si ingår i en mängd av 1,60 viktprocent eller mera försämras egenskaperna då det gäller kontaktrullningslivslängden (nedan kallad rullningslivslängd). Av detta skäl sätts den övre gränsen för Si-halten i stålet till 1,60 viktprocent.

Mangan är ett element för att förbättra desoxidationsegen- skaperna och härdbarheten och måste ingå i en mängd av 0,15 viktprocent eller mera. Om emellertid Mn ingår i en större mängd ger tillsatsen inte bättre verkan, utan den ger upphov till MnS som försämrar rullningslivslängden._Den övre gränsen för mangan som ingår i stålet sätts således till 1,15 viktpro- cent.

Krom är också ett element för att förbättra härdbarheten och för att möjliggöra att sfäriska karbider kan bildas lätt. Det är nödvändigt att Cr skall innehållas i mängden 0,50 viktprocent. eller mera för att sådana förbättringar skall kunna uppnås. När emellertid Cr ingår i en mängd som överskrider denna övre gräns 500 078 5 blir karbiderna alltför stora, varvid skärningsprestanda blir sämre. Den övre gränsen för Cr-halten i stålet sätts således till 1,60 viktprocent.

Fosfor är ett element som minskar rullningslivslängden och segheten, och fosformängden måste begränsas till minsta möjliga mängd. Den övre gränsen för P som ingår i stålet sätts lika med 0,010 viktprocent. _ Svavel är ett element som bildar en sulfidinneslutning med Mn och som nedsätter beständigheten mot utmattning i hög grad. De primära ändamålen med föreliggande uppfinning är att minska sulfidinneslutningarna och att avsevärt förbättra be- ständigheten mot utmattning. Mängden S som ingår i stålet måste kontrolleras noggrant, och dess övre gräns sätts till 0,002 viktprocent.

Aluminium är ett element som bildar en hård oxidinneslut- ning, såsom Al2O3, som försämrar prestanda vid stålskärning och försämrar rullningslivslängden. Mängden Al som ingår i stålet måste därför reduceras till ett minimum, och dess övre gräns sätts till 0,015 viktprocent.

Syre är ett element som ger oxidinneslutningar, såsom Al2O3 eller Si02, och det nedsätter rullningslivslängden betyd- ligt. Enligt föreliggande uppfinning minskas mängden ometalliska inneslutningar i hög grad, varjämte storleken hos inneslutning- arna regleras, varigenom rullningslivslängden blir förbättrad.

Mängden O som ingår i stålet måste sålunda regleras noggrant.

Den övre gränsen för O som ingår i stålet sätts till 0,0006å viktprocent som utgör en minimimängd som kan uppnås med för dagen förekommande metoder för rening medelst vakuumurgasning.

Kväve är ett element som bildar en nitrid, såsom TiN, och som försämrar rullningslivslängden. N-halten i stålet måste in- ställas till ett minimum, och dess övre gräns sätts till 0,0050 lviktprocent. ' Titan är ett element som kvarstår i stålet i form av en TiN-inneslutning. När en stor mängd Ti ingår i stålet bildar den stora inneslutningar och medför en betydande försämring av rullningslivslängden. Mängden Ti som ingår i stålet måste så-" ledes minskas till ett minimum, och dess övre gräns sätts till o,oo1s viktpšocgnt. 078 6 Molybden är ett element som har till uppgift att förbätt- ra stålets härdbarheti När Mo ingår i en liten mängd i stålet förbättras härdbarheten. Enligt föreliggande uppfinning ingår Mo i en mängd av 0,05 viktprocent eller mera om så erfordras.

Eftersom emellertid Mo är ett dyrbart element och en tillsats av Mo större än 0,50 viktprocent inte medför ett ekvivalent gott resultat sätts den övre gränsen för Mo-halten i stålet till 0,50 viktprocent.

Vanadin och niob är element för att förbättra stålhåll- fastheten och segheten genom att de bildar kolnitrid. Enligt föreliggande uppfinning måste V och/eller Nb vardera ingå i stålet i en mängd av 0,05 viktprocent eller mera, om så önskas, för att den önskade verkan skall erhållas. Även om dessa ele- ment ingår i mängder som överskrider denna nämnda övre gräns blir dock verkan av tillsatsen ringa. De övre gränserna för dessa element sätts således till 0,30 viktprocent.

De karakteristiska egenskaperna hos stålet enligt före- liggande uppfinning kommer att beskrivas medelst exempel i jäm- förelse med egenskaperna för konventionella stålsorter.

Tabell 1 visar de kemiska beståndsdelarna i såsom exempel tjänande stål.

I Tabell 1 är stålsorterna A och B konventionella stål- sorter (stålet A: SUJ2; stålet B: SUQS), stålsorterna C-E är jämförelsestålsorter, stålet D har framställts enligt ESR, var- jämte stålsorterna F-N är stålsorter enligt föreliggande upp- finning.

Tabell 2 visar resultaten av ett experiment för att fast- ställa mängden och genomsnittslängden hos ometalliska inneslut- ningar, beständigheten mot utmattning, samt kallbearbetbarheten för de som exempel angivna stålsorterna som är presenterade i Tabell 1 när dessa såsom exempel tjänande stålsorter härdades medelst oljekylning vid 850°C under 30 minuter, seghärdades me- delst luftkylning vid l70°G under 90 minuter, och sedan luftk§l+ des.

Mängden och genomsnittslängden hos ometalliska inneslut- ningar undersöktes genom att man sågade ut valsade stänger med diametern 65 mm ur stål som hade utsatts för de ovannämnda be- handlingarna; Mängden och genomsnittslängden hos ometalliska 500 078 flucuuoumuxw>v mcfi cuuwmnmäëmm xmfiiwx ~H.° =H.= HHo=.° @v°°.° m°°°.° ~H°°.° mH.H m°.= -.= ~°°.° @°°.= m°.~ =@.° @m.° z m~.= oH°°.° m@°°.° m°°°.= ~H=°.° @«.H ==.= w°.° ~°°.° >°°.= >«.° m~.= >>.° = HH.o ~H@°.o ~«°o.b m°°°.° ~=°.° @@.H @=.° m°.° ~°°.° @°°.° ~m.° @~.= >m.° A mH.° Hfi=°.° ~<°°.° m°°°.° ~H=°~° 0-.Q @°.° m°.° ~°°.° @°°.= @~.= >~.= >@.° z H_o°.° ß«°°«° m==°.° °H°Q.° ß°.~ @°.° «°.° ~°°.° >°°.° @m.= ~w.° @@.° n @H=°.° m@°°.° m°°=.° -=°.° >«.H @°.° >°.° ~°°.° m°°.° ß«.° @~.° >m.° = ~H°°.° -°°.° m°°°.° m~°°.° @~.~ =H,= .@=.° ~°=.° magra ~°.~ >@.= ~@,= u m~°°.° m~°°.° m°°°.= m~=°.° ~m.~ @=.° m°.° ~°°.° >°°.° ~«.° °~.= ~=.° m -°°.° @«°°.° ß°=°.° mH=°.° @«.H m°.° «=.= @°°.° °H°.q @«.°:@««°_ß~.°,.m >H°°.° >«°°.° =~=°.° m~°°.° m«.H @°.° m=.° n°°.= ~H°.° @«.°.@~.° @m.= Q ~m°°.= ~m°°.° @°°°.° @~°°.° >«.H @°.= @=.= >°=.= °~°.= m~.° >~.°_@«»@ u m~°°.° m~=°.° m~°=.°. -°.= H~.~ @°.° vH.= -°.= «~°.= ~=.~ °w.= w@.° m °~=°.° Hm°°.° ~H°°.° «~=.° @<.H @=.° ~H.= -°.= @H°.° >«.° @~.° @m.= .< nz > øz fla z o H< uu fiz =u m m == fim u d.. a .HNQMH -500 070 8 Tabelï 2 Ometallisk Beständighet Kall- inneslutning mot utmattning bearbetbarhet Mängd ns' B10 B50' sgricxbild- (A+B+C) längd . Livs_ Livs_ n1ngshasti9_ (m) 1333 längd het W A 3.4 2.0 0.37 0.15 18 'B 3.2 2.0 0.36 0.15 50 C 2.4 1.6 0.39 0.16 11 D 1.0 1.0 I.0 1.0 0 E 2.3 1.6 0.51 0.18 15 F 0.25 1.0 1.29 1.10 0 G 0.25 1.0 1.26 1.09 0 H 0.25 1.0 1.07 |1.01 0 J 0.25 1.0 1.05 1.0 0 K 0.50 1.0 .1.01 1.0 0 L o.so '. 1.0 1.06 1.0 o M -0.50 1.0 1.06 1.0 0 N 0.50 1.0 1.0 1.0 0 500 078 9 inneslutningar i varje stålsort är representerade i jämförelse med längden hos ometalliska inneslutningar av stålet D såsom ett ESR-material som är en hypotetisk enhet i storlek. Bestän- digheten mot utmattning undersöktes med hjälp av en apparat av Mori-typ för undersökning av beständigheten mot utmattning.

Provstycken med ytterdiametern 65 mm, innerdiametern 18 mm och tjockleken 10 mm framställdes. Beständigheten mot utmattning är också representerad i jämförelse med längden hos ometalliska inneslutningar av stålet D. Kallbearbetbarheten undersöktes på grundval av sprickbildningshastigheten med stukningstakten 75% (diametern 20 mm och längden 30 mm).

Såsom framgår av Tabell 2 har de ometalliska inneslutning- arna av de konventionella stålen A och B mängder som är tre gånger så stora som inneslutningarna hos stålet D såsom ett ESR- material med en reglerad textur vid stelnande, varjämte de har genomsnittslängder som är dubbelt så stora som längderna hos stålet D. De konventionella stålsorterna A och B har en bestän- dighet mot utmattning som är l/3 av beständigheten hos stålet D uttryckt i nominell livslängd och ca l/6 av livslängden hos stålet D uttryckt i genomsnittslivslängd. Då det gäller kallbe- arbetbarheten har stålsorterna A och B höga sprickbildningshas- tigheter. Stålsorterna A och B är således underlägsna då det gäller ometalliska inneslutningar, beständighet mot utmattning samt kallbearbetbarhet.

Stålet C såsom en jämförelsestålsort är något bättre då det gäller mängden och genomsnittslängden hos ometalliska inne- slutningar i jämförelse med de konventionella stålsorterna tack vare de låga S- och 0-halterna. Stålet D har emellertid en mängd ometalliska inneslutningar som uppgår till 2,4 gånger mängden hos stålet D och en genomsnittslängd hos ometalliska inne- slutningar som uppgår till 1,6 gånger genomsnittslängden hos stålet n. stålet c har en utmattning som är exviveient med de konventionella stålsorterna A och B. Stålet E såsom ett annat jämförelsestål är också underlägset då det gäller mängden ometal- liska inneslutningar och genomsnittslängden samt beständighet mot utmattning såsom i fallet med stålet C. I I motsats till detta har i stålsorterna F-N enligt före- liggande uppfinning, eftersom 0-halten är 0,0006 viktprocent 500 078 10 eller mindre och S-halten är 0,002 viktprocent eller mindre och eftersom Ti-, Al- och N-halterna har reducerats till ett mini- mum, en mängd ometalliska inneslutningar som uppgår till 1/4 av mängden i stålet D som är ett ESR-material, en genomsnittslängd hos de ometalliska inneslutningarna ekvivalent med stålet D, en beständighet mot utmattning ekvivalent med beständigheten hos stålet D uttryckt i nominell beständighet resp. genomsnittsbe- ständighet, och en bättre kallbearbetbarhet än den som förekom- mer vid de konventionella stålsorterna A och B. Således har stålsorterna F-N enligt föreliggande uppfinning bättre prestan- da då det gäller de ometalliska inneslutningarna samt likvär- dig beständighet mot utmattning och kallbearbetbarhet i jämfö- relse med stålet D som utgör ett ESR-material som har en för- bättrad inre kvalitet till följd av reglerad textur vid stel- nande.

I stålet enligt föreliggande uppfinning uppgår S-halten till så litet som 0,002 viktprocent eller mindre. Eftersom emellertid mängden oxidinneslutningar har minskats i betydande .grad uppnås en bearbetbarhet som är ekvivalent med den hos kon- ventionella stålsorter.

Såsom man kan se ovan ingår i stålet enligt föreliggande uppfinning C, Si, Mn och Cr i lämpliga mängder, varjämte hal- ten av P, S, O och Ti har minskats till ett minimum så att man minskar mängderna oxid- och sulfidinneslutningar i stålet.

Stålet enligt föreliggande uppfinning har således en utmärkt beständighet mot utmattning, en nominell livslängd som är tre gånger så stor som den nominella livslängden hos konventionella stålsorter och en genomsnittslivslängd som är sex gånger så stor som genomsnittslivslängden hos konventionella stålsorter, varjämte stålet enligt uppfinningen har utmärkt kallbearbetbar- het. Enligt föreliggande uppfinning åstadkommas således ett lagerstål av hög kvalitet lämpligt för användning i kullager eller rullager i industrimaskiner eller fordon med hög belast- ning och hög hastighet, jämte ett sätt att tillverka sådant lagerstål.

Claims (3)

500 078 11 PATENTKRAV

1. Sätt att rena ett lagerstål bestående väsentligen av kol, kisel, mangan, fosfor, svavel, krom, aluminium, syre, kväve och titan, varvid återstoden är järn tillsammans med förore- ningar, k ä n n e t e c k n a t därav, att sättet innefattar (i) att smälta lagerstålet i en smältugn för att rengöra stålet genom oxidering, (ii) att hälla det smälta stålet i en separat behållare, att utföra bortagning av fosfor ur det smälta stålet samt att absorbera och borttaga slagg som innehåller oxid från stålet och som flyter ovanpå det smälta stålet med en vakuumslaggrenare, (iii) att utföra reducerande rening av stålet genom att kraftigt omröra det smälta stålet i närvaro av en i hög grad basisk slagg som har en basicitet av minst 3 med samtidig inreglering av stålbadets temperatur, varvid nämnda rening utförs i en indifferent atmosfär som står under ett tryck som är större än normaltrycket, (iv) att utföra vakuumurgasning av stålet medelst en vakuumurgasningscirkuleringsanordning som åstadkommer kraftig cirkulering under 2/3 av behandlingstiden och svag cirkulering under 1/3 av behandlingstiden, och (v) att utföra en reducerande rening av stålet genom att svagt omröra det smälta stålet i en reducerande atmosfär vid normaltrycket, vilken behandling minskar mängden fosfor, svavel, aluminium, syre, kväve och titan till högst 0,01%, högst 0,002%, högst 0,015%, högst 0,0006%, högst 0,005% resp högst 0,0015%, allt räknat i viktprocent. U

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att det första momentet (i) innefattar att nämnda lagerstål smälts i en elektrisk ugn, varigenom stålet effektivt renas, och att den i hög grad basiska slaggen som används i momentet (iii) inne- håller en total mängd Fe0 och MnO som är högst 0,5 viktprocent och innehåller en komposition av Ca0/S102/Al203 uppgående till 0,3 till 0,ü.

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda lagerstål väsentligen består av 0,70 - 1,10 viktprocent kol, 0,15 - 1,6 viktprocent kisel, 0,15 - 1,15 viktprocent mangan, högst 0,010 viktprocent fosfor, högst 0,002 viktprocent svavel, 0,50 - 1,60 viktprocent krom, högst 0,015 viktprocent aluminium, högst 0,0006 viktprocent syre, högst 0,0050 viktprocent kväve och högst 0,0015 viktprocent titan.