Инструментальная сталь для холодной обработки Российский патент 2019 года по МПК C22C33/02 C22C38/24 

Область техники

Данное изобретение относится к легированной азотом инструментальной стали для холодной обработки.

Уровень техники

Легированные азотом и ванадием инструментальные стали, изготовленные методом порошковой металлургии (ПМ), завоевали значительный интерес из-за уникального сочетания высокой твердости, высокой износостойкости и превосходной стойкости к задирному износу. Данные стали имеют широкий диапазон областей применения, в которых преобладающим механизмом разрушения является адгезионный износ или задирный износ. Типичные области применения включают штамповку и гибку, чистовую штамповку, холодную экструзию, глубокую вытяжку и прессование порошков. Сталь исходного состава распыляют, подвергают азотированию, и после этого порошок помещают в капсулу и подвергают горячему изостатическому прессованию (ГИП), чтоб получить изотропную сталь.

Получаемой таким образом высококачественной сталью является VANCRON®40. Сталь имеет высокое содержание углерода, азота и ванадия, а также легирована Cr, Мо и W в существенном количестве, в результате чего микроструктура включает твердые фазы типа MX (14 об. %) и М₆С (5 об. %). Данная сталь описана в WO 00/79015 А1.

Хотя VANCRON^®40 обладает очень привлекательным сочетанием свойств, существует непрерывное стремление к усовершенствованию материала инструмента для дополнительного улучшения качества поверхности получаемых изделий, а также для продления срока службы инструмента, особенно в жестких рабочих условиях, где задирный износ является основной проблемой.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение легированной азотом инструментальной стали для холодной обработки, изготовленной методом порошковой металлургии (ПМ), с улучшенным сочетанием свойств для более совершенной холодной обработки.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение инструментальной стали для холодной обработки, изготовленной методом порошковой металлургии (ПМ), которая имеет состав и микроструктуру, приводящие к улучшению качества поверхности получаемых деталей.

Вышеуказанных целей, а также дополнительных преимуществ достигают в значительной степени путем обеспечения инструментальной стали для холодной обработки, которая имеет состав, как изложено в формуле изобретения.

Изобретение определено в формуле изобретения.

Подробное описание изобретения

Далее кратко описана значимость отдельных элементов и их взаимодействие друг с другом, а также ограничения по химическому составу заявляемого сплава. Процентное содержание элементов в химическом составе стали представлено в массовых % (масс. %) по всему описанию. Верхний и нижний пределы содержания отдельных элементов можно без ограничений сочетать в интервалах, указанных в п. 1 формулы изобретения.

Углерод (0,5-2,1%)

Минимальное содержание углерода должно составлять 0,5%, предпочтительно по меньшей мере 1,0%. Верхний предел содержания углерода может составлять 1,8% или 2,1%. Предпочтительные интервалы включают 0,8-1,6%, 1,0-1,4% и 1,25-1,35%. Углерод является важным для образования MX и для закалки, где металл М главным образом представляет собой V, но также могут присутствовать Мо, Cr и W. X представляет собой один или более из С, N и В. Предпочтительно содержание углерода регулируют так, чтобы получить 0,4-0,6% С, растворенного в основе при температуре аустенизации. В любом случае, количество углерода следует регулировать так, чтобы ограничивать количество карбидов типа М₂₃С₆, М₇С₃ and М₆С в стали, предпочтительно сталь не содержит указанных карбидов.

Азот (1,3-3,5%)

Азот в настоящем изобретении является существенным для образования твердых карбонитридов типа MX. Поэтому азот должен присутствовать в количестве по меньшей мере 1,3%. Нижний предел может составлять 1,4%, 1,5%, 1,6%, 1,7%, 1,8%, 1,9%, 2,0% 2,1% или даже 2,2%. Верхний предел составляет 3,5% и он может быть установлен равным 3,3%, 3,2%, 3,0%, 2,8%, 2,6%, 2,4%, 2,2%, 2,1% 1,9% или 1,7%. Предпочтительные интервалы включают 1,6-2,1% и 1,7-1,9%.

Хром (2,5-5,5%)

Хром должен присутствовать в количестве по меньшей мере 2,5%, чтобы обеспечить достаточную прокаливаемость. Предпочтительно более высокое содержание Cr для обеспечения хорошей прокаливаемости в больших сечениях в ходе термообработки. Если содержание хрома слишком велико, это может привести к образованию нежелательных карбидов, таких как М₇С₃. Кроме того, также это может повысить возможность присутствия остаточного аустенита в микроструктуре. Нижний предел может составлять 2,8%, 3,0%, 3,2%, 3,4%, 3,6%, 3,8%, 4,0%, 4,2%, 4,35%, 4,4% или 4,6%. Верхний предел может составлять 5,2%, 5,0%, 4,9%, 4,8% или 4,65%. Содержание хрома предпочтительно составляет 4,2-4,8%,

Молибден (0,8-2,2%)

Известно, что Мо оказывает очень благоприятное влияние на прокаливаемость. Молибден является существенным элементом для достижения хорошей реакции на вторичную закалку. Минимальное содержание составляет 0,8% и может быть установлено равным 1%, 1,25%, 1,5%, 1,6%, 1,65% или 1,8%. Молибден является сильным карбидообразующим элементом. Однако, молибден также является сильным ферритообразующим элементом. Содержание Мо необходимо ограничивать также для того, чтобы ограничить количество твердых фаз, отличных от MX. В частности, количество карбидов М₆С должно быть ограничено, предпочтительно до ≤3 об. %. Наиболее предпочтительно карбиды М₆С не должны присутствовать в микроструктуре. Таким образом, максимальное содержание молибдена составляет 2,2%. Предпочтительно содержание Мо ограничено до 2,15%, 2,1%, 2,0% или 1,9%.

Вольфрам (≤1%)

Действие вольфрама подобно действию Мо. Однако, для достижения того же действия необходимо добавлять вдвое больше W, чем Мо, исходя из масс %. Вольфрам является дорогостоящим элементом, а также он усложняет обработку металлического лома. Подобно Мо, W также является элементом, образующим карбиды М₆С. Следовательно, его максимальное количество ограничено до 1%, предпочтительно до 0,5%, более предпочтительно до 0,3% и наиболее предпочтительно совсем не добавлять W намеренно. Если не добавлять W и ограничивать Мо, как указано выше, возможно полностью избежать образования карбидов М₆С.

Ванадий (6-18%)

Ванадий образует равномерно распределенные первичные выделившиеся карбиды и карбонитриды MX типа. Выделившиеся фазы могут быть представлены формулой M(N,C), и их обычно также называют нитрокарбидами, из-за высокого содержания азота. В стали по изобретению М главным образом представляет собой ванадий, но до некоторой степени могут присутствовать Cr и Мо. Ванадий должен присутствовать в количестве 6-18%, чтобы получить заданное количество MX. Верхний предел может быть установлен равным 16%, 15%, 14%, 13%, 12%, 11%, 10,25%, 10% или 9%. Нижний предел может составлять 7%, 8%, 8,5%, 9%, 9,75%, 10%, 11% или 12%. Предпочтительные интервалы включают 8-14%, 8,5-11,0% и 9,75-10,25%.

Ниобий (≤2%)

Ниобий подобен ванадию в том, что он образует MX или карбонитриды типа M(N,C). Однако Nb приводит к получению более угловатой формы M(N,C). Следовательно, максимальное количество Nb ограничено до 2,0% и предпочтительное максимальное количество составляет 0,5%. Предпочтительно ниобий не добавляют.

Кремний (0,05-1,2%)

Кремний используют для раскисления. Si также повышает активность углерода и благоприятно влияет на обрабатываемость. Таким образом, Si присутствует в количестве 0,05-1,2%. Для хорошего раскисления предпочтительно содержание Si доводят по меньшей мере до 0,2%. Нижний предел может быть установлен равным 0,3%, 0,35% или 0,4%. Однако, Si является сильным ферритообразующим элементом и должен быть ограничен до 1,2%. Верхний предел может составлять 1,1%, 1%, 0,9%, 0,8%, 0,75%, 0,7% или 0,65%. Предпочтительный диапазон составляет 0,3-0,8%.

Марганец (0,05-1,5%)

Марганец способствует повышению прокаливаемости стали и, совместно с серой, марганец способствует улучшению обрабатываемости путем образования сульфидов марганца. Таким образом, марганец должен присутствовать в минимальном количестве 0,05%, предпочтительно по меньшей мере 0,1% и более предпочтительно по меньшей мере 0,2%. При более высоком содержании серы марганец предотвращает красноломкость стали. Сталь должна содержать максимум 1,5% Mn. Верхний предел может составлять 1,4%, 1,3%, 1,2%, 1,1%, 1,0%, 0,9%, 0,8%, 0,7%, 0,7%, 0,6% или 0,5%. Однако предпочтительные интервалы составляют 0,2-0,9%, 0,2-0,6% и 0,3-0,5%.

Никель (≤3,0%)

Никель является возможным элементом и может присутствовать в количестве вплоть до 3%. Он придает стали хорошую прокаливаемость и твердость. Из-за высокой цены никеля, его содержание в стали должно быть ограничено насколько это возможно. Соответственно, содержание Ni ограничено до 1%, предпочтительно до 0,3%. Наиболее предпочтительно никель не добавляют.

Медь (≤3,0%)

Cu является возможным элементом, который может способствовать увеличению твердости и коррозионной стойкости стали. Если ее используют, предпочтительный интервал ее содержания составляет 0,02-2% и наиболее предпочтительный интервал составляет 0,04-1,6%. Однако, медь невозможно извлечь из стали после того, как она была однажды добавлена. Это значительно затрудняет обработку металлического лома. По этой причине медь обычно намеренно не добавляют.

Кобальт (≤12%)

Со является возможным элементом. Со растворяется в железе (феррите и аустените) и упрочняет его, одновременно обеспечивая жаропрочность. Со повышает температуру Ms. В ходе термообработки на твердый раствор Со помогает препятствовать росту зерен, так что можно использовать более высокие температуры раствора, которые обеспечивают более высокое процентное содержание растворенных карбидов, что приводит к улучшенной реакции на вторичную закалку. Со также замедляет укрупнение карбидов и карбонитридов и приводит к тому, что вторичная закалка протекает при более высоких температурах. Со способствует повышению твердости мартенсита. Максимальное его количество составляет 12%. Верхний предел может составлять 10%, 8%, 7%, 6%, 5% или 4%. Нижний предел может составлять 1%, 2%, 3%, 4% или 5%. Однако, по практическим соображениям, таким как обработка металлического лома, Со намеренно не добавляют. Предпочтительное максимальное содержание составляет 1%.

Фосфор (≤0,05)

Р представляет собой элемент, упрочняющий твердый раствор. Однако, Р имеет тенденцию выделяться на границах зерен, снижая когезию и, тем самым, ударную вязкость. Таким образом, Р ограничивают до ≤0,05%.

Сера (≤0,5%)

S вносит вклад в улучшение обрабатываемости стали. При более высоком содержании серы существует риск красноломкости. Более того, высокое содержание серы может оказывать отрицательное влияние на усталостные свойства. Таким образом, сталь должна содержать ≤0,5%, предпочтительно ≤0,03%.

Be, Bi, Se, Са, Mg, О и РЗМ (редкоземельные металлы)

Данные элементы могут быть добавлены в сталь в заявленном количестве, чтобы дополнительно улучшить обрабатываемость на станке, обрабатываемость в горячем состоянии и/или свариваемость заявленной стали.

Бор (≤0,6%)

Значительное количество бора возможно использовать для содействия в образованию твердой фазы MX. В может быть использован для увеличения твердости стали. Тогда его количество ограничивают до 0,01%, предпочтительно до ≤0,004%.

Ti, Zr, Al и Та

Данные элементы являются карбидообразующими элементами и могут присутствовать в сплаве в заявленных интервалах для изменения состава твердых фаз. Однако обычно ни один из этих элементов не добавляют.

Получение стали

Инструментальные стали, которые имеют заявленный химический состав, могут быть получены посредством традиционного распыления газом с последующей обработкой азотированием. Азотирование можно осуществлять, подвергая распыленный порошок воздействию газовой смеси на основе аммиака при температуре 500-600°С, в результате чего азот диффундирует в порошок, вступает в реакцию с ванадием и приводит к образованию зародышей мелких карбонитридов. Обычно сталь подвергают закалке и отпуску до ее использования.

Аустенизацию можно осуществлять при температуре аустенизации (T_A) 950-1150°С, обычно 1020-1080°С. Обычная обработка включает аустенизацию при температуре 1050°С в течение 30 мин, закалку в потоке газа и трехкратный отпуск при температуре 530°С в течение 1 часа с последующим охлаждением воздухом. Это приводит к твердости по Роквеллу 60-66.

Пример

В данном примере сталь в соответствии с изобретением сравнивают с известной сталью. Обе стали получали посредством порошковой металлургии.

Стали исходного состава расплавляли и подвергали распылению газом, азотированию, капсулированию и ГИП (горячему изостатическому прессованию).

Таким образом, полученные стали имели следующий состав (в масс. %):

Исследовали микроструктуру этих двух сталей, и было обнаружено, что сталь по изобретению содержала приблизительно 20 об. % MX (черная фаза), частицы которой являются мелкими и однородно распределены в основе, как показано на Фиг. 1.

С другой стороны, сравнительная сталь содержала приблизительно 15 об. % MX и приблизительно 6 об. % М₆С (белая фаза), как показано на Фиг. 2. Из данного чертежа видно, что карбиды М₆С крупнее, чем частицы MX, и существует определенное расширение в распределении частиц М₆С карбидов по размерам.

Стали подвергали аустенизации при температуре 1050°С в течение 30 мин и упрочняли посредством закалки в потоке газа и отпуска при температуре 550°С в течение 1 ч (3×1 ч) с последующим воздушным охлаждением. Это приводит к получению твердости по Роквеллу, составляющей 63 для стали по изобретению и 62 для сравнительного материала. Равновесный состав основы и количество первичных MX и М₆С при температуре аустенизации (1050°С) рассчитывали посредством Thermo-Calc моделирования с версией программного обеспечения S-build-2532 и базой данных TCFE6. Расчеты показали, что сталь по изобретению не содержала карбиды М₆С и содержала 16,3 об. % MX. С другой стороны, было обнаружено, что сравнительная сталь содержит 5,2 об. % М₆С и 14,3 об. % MX.

Эти два материала использовали в валках для холодной прокатки нержавеющей стали, и было обнаружено, что материал по изобретению позволил получить улучшенную микрошероховатость поверхности холоднокатаной стали, что можно приписать более однородной микроструктуре и отсутствию крупных карбидов М₆С.

Промышленная применимость

Инструментальная сталь для холодной обработки по настоящему изобретению особенно пригодна к применению в областях, требующих очень высокой стойкости к задирному износу, таких как штамповка и гибка аустенитной нержавеющей стали. Малый размер карбонитридов MX в сочетании с их однородным распределением также позволяет ожидать улучшенного задирного износа.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к инструментальной стали для холодной обработки. Сталь состоит из, мас.%: C 0,5-2,1, N 1,3-3,5, Si 0,05-1,2, Mn 0,05-1,5, Cr 2,5-5,5, Mo 0,8-1,95, V 7-18, при необходимости одного или более из: P ≤ 0,05, S ≤ 0,5, W ≤ 0,40, Cu ≤ 3, Co ≤ 12, Ni ≤ 3, Nb ≤ 2, Ti ≤ 0,1, Zr ≤ 0,1, Ta ≤ 0,1, B ≤ 0,6, Be ≤ 0,2, Bi ≤ 0,2, Se ≤ 0,3, Ca 0,0003-0,009, Mg ≤ 0,01, РЗМ ≤ 0,2, остальное - Fe и примеси. Количество карбидов и карбонитридов, присутствующих в микроструктуре стали, удовлетворяет следующим требованиям, об.%: MX 15-35, M₆X 0-3, M₇X₃ 0-1, M₂₃X₆ 0-1, где M представляет собой один или более из V, Cr и Mo, а X - C и/или N и, при необходимости B. Сталь обладает улучшенным сочетанием свойств для более совершенной холодной обработки. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сталь для холодной обработки, изготовленная методом порошковой металлургии и состоящая из, мас.%:

C 0,5-2,1

N 1,3-3,5

Si 0,05-1,2

Mn 0,05-1,5

Cr 2,5-5,5

Mo 0,8-1,95

V 7-18

при необходимости одного или более из:

P ≤ 0,05

S ≤ 0,5

W ≤ 0,40

Cu ≤ 3

Co ≤ 12

Ni ≤ 3

Nb ≤ 2

Ti ≤ 0,1

Zr ≤ 0,1

Ta ≤ 0,1

B ≤ 0,6

Be ≤ 0,2

Bi ≤ 0,2

Se ≤ 0,3

Ca 0,0003-0,009

Mg ≤ 0,01

РЗМ ≤ 0,2

остальное - Fe и примеси,

причем количество карбидов и карбонитридов, присутствующих в микроструктуре стали, удовлетворяет следующим требованиям, об.%:

MX 15-35

M₆X 0-3

M₇X₃ 0-1

M₂₃X₆ 0-1,

где M представляет собой один или более из V, Cr и Mo, а X - C и/или N и при необходимости B.

2. Сталь по п.1, которая удовлетворяет по меньшей мере одному из следующих требований, мас.%:

C 0,6-1,8

N 1,4-3,3

Si 0,2-1,1

Mn 0,1-1,1

Cr 2,8-5,2

Mo 1,25-1,95

V 7-16

P ≤ 0,03

S ≤ 0,03

Cu 0,02-2

Co ≤ 1

Ni ≤ 1

Nb ≤ 1

Ti ≤ 0,01

Zr ≤ 0,01

Ta ≤ 0,01

B ≤ 0,005

Be ≤ 0,02

Se ≤ 0,03

Mg ≤ 0,001.

3. Сталь по п.1 или 2, которая удовлетворяет по меньшей мере одному из следующих требований, мас.%:

C 0,8-1,6

N 1,6-3,2

Si 0,25-0,85

Mn 0,2-0,9

Cr 3,2-5,0

V 8-14

Co ≤ 1

Cu ≤ 0,5

Ni ≤ 0,3

Nb ≤ 0,5.

4. Сталь по любому из пп. 1-3, которая удовлетворяет по меньшей мере одному из следующих требований, мас.%:

C 1,0-1,4

N 1,6-2,1

Si 0,3-0,8

Mn 0,2-0,6

Cr 4,2-4,8

Mo 1,6-1,95

V 8,5-11,0.

5. Сталь по любому из пп. 1-4, которая удовлетворяет по меньшей мере одному из следующих требований, мас.%:

C 1,25-1,35

N 1,7-1,9

Si 0,35-0,65

Mn 0,3-0,5

Cr 4,35-4,65

Mo 1,65-1,95

W ≤ 0,30

V 9,75-10,25.

6. Сталь по п. 4, которая состоит из, мас.%:

C 1,0-1,4

N 1,6-2,1

Si 0,3-0,8

Mn 0,2-0,6

Cr 4,2-4,8

Mo 1,6-1,95

V 8,5-11,0

остальное - Fe и примеси.

7. Сталь по любому из пп. 1-6, в которой количество карбидов и карбонитридов, присутствующих в стали, удовлетворяет следующим требованиям, об.%:

MX 15-30

M₆X 0-1

M₇X₃ 0-0,2

M₂₃X₆ 0-0,2.

8. Сталь по любому из пп. 1-7, в которой количество карбидов и карбонитридов удовлетворяет следующим требованиям, об.%:

MX 15-30

M₆X 0-0,1

где микроструктура не содержит M₇X₃ и M₂₃X₆, предпочтительно микроструктура стали не содержит M₆X.

9. Сталь по любому из пп. 1-8, в которой диаметр эквивалентного круга (ДЭК) карбидов и карбонитридов в микроструктуре стали составляет менее 1,5 мкм.

10. Сталь по п. 9, в которой диаметр эквивалентного круга (ДЭК) карбидов и карбонитридов в микроструктуре стали составляет менее 1,0 мкм.